第 9 章半导体传感器

第9章 • 半导体传感器

9.1 9.2 气敏传感器湿敏传感器

9.1 气敏传感器 • 9.1.1 概述 • 1、用途 • 用来检测气体类别、浓度和成分。主要用于工业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。

2、分类、原理 • 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。 • 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。

按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，按照半导体变化的物理特性，又分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，按照半导体变化的物理特性，又分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度。

非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。

3、特性 • 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，因此，对气敏元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。

9.1.2 半导体气敏传感器的机理 • 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。

例如氧气被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。例如氧气被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，使半导体电阻值下降。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，使半导体电阻值下降。 • 若

气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间（响应时间）一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间（响应时间）一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。

9.1.3 半导体气敏传感器类型及结构 • 1．电阻型半导体气敏传感器结构和类型 • 1）半导体气敏传感器的组成敏感元件、加热器和外壳。 • 2）类型

按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型3类。按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型3类。 • 烧结型气敏器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700℃～900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷。

图9-2 气敏半导体传感器的器件结构

薄膜型器件 它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下）制作方法也很简单。

厚膜型器件 这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的，适合大批量生产。

这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附。加热器的温度一般控制在200～400℃左右。这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附。加热器的温度一般控制在200～400℃左右。

3）加热方式 • 一般有直热式和旁热式两种，直热式器件是将加热丝、测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS#109型气敏传感器均属此类结构。

旁热式气敏器件的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料，旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，稳定性、可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗TGS# 812、813型等气敏传感器都采用这种结构。

2．测量电路 • SiO2气敏器件所用检测电路如图9-5所示，当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。

图9-4 旁热式气敏器件的结构及符号

图9-5 测量电路

9.1.4 气敏传感器应用 • 1．矿井瓦斯超限报警器 • 1）电路组成及作用 • QM-N5为旁热式气敏传感器，它和R1、RP组成瓦斯气体检测电路；晶体管VS作为无触点电子开关。

LC179型三模拟声报警专用集成电路，它采用双列8脚直插塑料硬封装，内部集成了功率放大器，可直接驱动扬声器发声，可产生3种不同的模拟报警声响， LC179的第1、2脚为外接振荡电阻器端，可改变发声音调；第3脚为负电源端；第4脚为音频输出端；第5脚为正电源端；第6、7脚为空脚端；第8脚为选声端，

当它“悬空”时，可产生模拟警车电笛声；当它接电源正端时，可产生模拟消防车电笛声；当它接电源负端时，可产生模拟救护车电笛声。LC179的主要电参数：工作电压范围3V～4.5V，工作电流＜150μA，最大输出电流可达150mA，工作温度范围－10℃～60℃。当它“悬空”时，可产生模拟警车电笛声；当它接电源正端时，可产生模拟消防车电笛声；当它接电源负端时，可产生模拟救护车电笛声。LC179的主要电参数：工作电压范围3V～4.5V，工作电流＜150μA，最大输出电流可达150mA，工作温度范围－10℃～60℃。

图9-6 矿井瓦斯超限报警器

2）工作原理 • 当无瓦斯或瓦斯浓度很低时，QM-N5的A-B极间电阻很大，电位器RP滑动触点电压小于0.7V，VS不被触发，警笛声电路无电源不发声；当瓦斯气体超过安全标准时，A-B极间电阻迅速减小，当RP滑动触点电压大于0.7V，VS被触发导通，警笛电路得电，发出报警声。

2．有害气体报警电路 • 电路中晶体管VT采用U850，它是一种高增益的达林顿晶体管。在纯洁的空气中，气敏传感器的A-B间内阻较大，此时B点为低电位，VT不导通，因此，KD9561无工作电流而不报警。

当传感器接触到有害可燃气体后，A-B间电阻变小，B点电位升高并向C2充电，当充电电位达到U850导通电位（约1.4V），VT导通，驱动报警器KD9561报警。一旦有害气体浓度降低，使B电位低于1.4V时，VT截止，报警解除。若将本电路的负载改为继电器，如图9-7（b）所示，即可成为自动排气控制装置。当传感器接触到有害可燃气体后，A-B间电阻变小，B点电位升高并向C2充电，当充电电位达到U850导通电位（约1.4V），VT导通，驱动报警器KD9561报警。一旦有害气体浓度降低，使B电位低于1.4V时，VT截止，报警解除。若将本电路的负载改为继电器，如图9-7（b）所示，即可成为自动排气控制装置。

图9-7 有害气体报警电路

3．实用酒精测试仪 • 图9-8所示为实用酒精测试仪的电路。该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出醉酒的程度，确定被试者是否适宜驾驶车辆。

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A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。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A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。

A为显示推动器，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。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平，酒精含量不超过0.05%。

图9-8 酒精测试仪电路

4．防酒后驾车控制器 • 图中QM-J1为旁热式气敏传感器元件，若司机没有喝酒，或酒精浓度较低时，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件间电阻很高，Ua为高电平，则U1为低电平，555定时器截止，U3为高电平，K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，绿灯VD1亮，常闭触点K2-1闭合，发动机点火启动。

图9-9 防止酒后驾车控制器原理图

若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使Ua为低电平，则U1为高电平，555定时器导通，U3为低电平，继电器K2带电吸合，K2-2常闭触点断开，常开触点闭合，红灯VD2亮，以示警告，常闭触点K2-1断开，发动机无法启动。若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使Ua为低电平，则U1为高电平，555定时器导通，U3为低电平，继电器K2带电吸合，K2-2常闭触点断开，常开触点闭合，红灯VD2亮，以示警告，常闭触点K2-1断开，发动机无法启动。

若司机拔出器敏器件，则继电器K1失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证控制器处于准备工作的状态。若司机拔出器敏器件，则继电器K1失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证控制器处于准备工作的状态。

9.2 湿敏传感器 • 湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。

湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。

湿度的检测已广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。湿度的检测已广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。

9.2.1 氯化锂湿敏电阻 • 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。

在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。

但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。

9.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻 • 两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。

这些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前3种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。这些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前3种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。

1．负特性湿敏半导瓷的导电机理 • 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。

若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。

因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。 • 由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。

2．正特性湿敏半导瓷的导电机理 • 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。

第 9 章 半导体传感器