华东理工大学概率论7

1、1n(2) (2) 半导体陶瓷湿敏元件半导体陶瓷湿敏元件n 半导体陶瓷湿敏原件结构示意图半导体陶瓷湿敏原件结构示意图( (图图 55)55)242MgCr OTiO242MgCr OTiO2n 半导体陶瓷湿敏原件结构示意图半导体陶瓷湿敏原件结构示意图n湿敏元件湿敏元件 - - 安装在一种高致密的、疏水性的陶瓷基安装在一种高致密的、疏水性的陶瓷基片上片上n电极电极 和和 四周四周 - - 安置金短路环安置金短路环n以便消除以便消除 - - 测量电极测量电极 和和 之间由吸湿和沾之间由吸湿和沾污而引起的漏电污而引起的漏电n 和和 - - 加热清洗线圈的引出线加热清洗线圈的引出线242MgCr OT

2、iO3n 半导体陶瓷湿敏元件感湿特性曲线半导体陶瓷湿敏元件感湿特性曲线( (图图 56)56)242MgCr OTiO4n 半导体陶瓷湿敏元件的感湿特性曲半导体陶瓷湿敏元件的感湿特性曲线线n图中列出图中列出 - - 松下松下-、松下、松下-、SM-1 SM-1 型湿敏元件的型湿敏元件的感湿特性曲线感湿特性曲线n湿度范围湿度范围 - 1% - 100% RH- 1% - 100% RHn元件阻值范围元件阻值范围 - - 242MgCr OTiO4810105n由湿敏元件由湿敏元件 - - 多在较为恶劣的气氛中工作多在较为恶劣的气氛中工作n元件上会吸附元件上会吸附 - - 环境中油雾、粉尘及有害气

3、体环境中油雾、粉尘及有害气体n导致元件的有效感湿表面积减小导致元件的有效感湿表面积减小 - - 使元件的感湿性使元件的感湿性能退化能退化n精度降低精度降低 - - 甚至会导致感湿功能丧失甚至会导致感湿功能丧失n元件使用过程中元件使用过程中 - - 需对其进行加热清洗需对其进行加热清洗n以便恢复以便恢复 - - 对水汽的吸附能力对水汽的吸附能力6nSM-1 SM-1 型湿敏元件在加热清洗时阻值的瞬态变化曲线型湿敏元件在加热清洗时阻值的瞬态变化曲线( (图图 57)57)7n(3) (3) 湿湿- -气多功能传感器元件气多功能传感器元件 - - n由由 半导体陶瓷为多孔结构半导体陶瓷为多孔结构n不

4、仅吸附水汽不仅吸附水汽 - - 且在高温下某些氧化或还原性气且在高温下某些氧化或还原性气体可以在陶瓷晶粒表面上产生化学吸附体可以在陶瓷晶粒表面上产生化学吸附n改变改变 - - 陶瓷体的导电能力陶瓷体的导电能力n这种半导体陶瓷既可测量湿度这种半导体陶瓷既可测量湿度 - - 也可检测某些还原也可检测某些还原性气体性气体n利用此测量利用此测量 - - 可制成湿可制成湿- -气多功能元件气多功能元件242MgCr OTiO242MgCr OTiO8n此种元件结构（图此种元件结构（图 55 55 结构相同）的电极材料结构相同）的电极材料 - - 选用多选用多孔的孔的n平均孔径平均孔径 - - 约约 1m

5、 1mn电极电极 - - 既可用于加热清洗既可用于加热清洗n也可在高温下检测气体时也可在高温下检测气体时 - - 用于对元件进行加热用于对元件进行加热2RuO9n电极引线为铂电极引线为铂(Pt)-(Pt)-铱铱(Ir)(Ir)合金合金 - - 基片上也有短路环基片上也有短路环n用以消除用以消除 - - 由吸附电解质而造成的漏电由吸附电解质而造成的漏电n 多功能元件的感湿特征量（即电阻值）多功能元件的感湿特征量（即电阻值）n随被测湿度的增加随被测湿度的增加 - - 而减小而减小n随还原性气体吸附量的增加随还原性气体吸附量的增加 - - 而增大而增大242MgCr OTiO10n还原性气体还原性气

6、体 - - 可以是可以是n硫化氢硫化氢n氨气氨气n含有羧基、氨基等的有机分子含有羧基、氨基等的有机分子11n综上所述综上所述n 多功能元件多功能元件n可在可在 150 150 的温度下的温度下 - - 精确地测量相对湿度精确地测量相对湿度n也可在也可在 400 400 500 500 温度下温度下 - - 检测某些还原性检测某些还原性气体的质量分数气体的质量分数242MgCr OTiO12n(4)(4)湿湿- -温多功能传感器元件温多功能传感器元件n1) 1) 半导体陶瓷器件半导体陶瓷器件n 多功能敏感原件等效电路图多功能敏感原件等效电路图( (图图 58)58)33BaTiOSrTiO33B

7、aTiOSrTiO13n 多功能敏感原件等效电路图多功能敏感原件等效电路图nC - C - 元件电容元件电容n随环境温度而变化随环境温度而变化nR - R - 元件电阻元件电阻n随待测环境湿度而变化随待测环境湿度而变化n只要分别测出只要分别测出 - - 元件的电容与电阻值元件的电容与电阻值n可确定可确定 - - 待测的温度和湿度待测的温度和湿度33BaTiOSrTiO14n2) 2) 半导体陶瓷器件半导体陶瓷器件n用用 半导体陶瓷制成的湿半导体陶瓷制成的湿- -温多功能器件温多功能器件的结构的结构 - - 下图下图 5959 342Mn OTiO342Mn OTiO15n2.2.多孔多孔 湿敏

8、传感器湿敏传感器n多孔氧化物湿敏传感器多孔氧化物湿敏传感器n大多采用多孔大多采用多孔 和多孔和多孔 SiOSiO2 2 湿敏器件湿敏器件 - - 作作为敏感元件为敏感元件n这类湿敏器件这类湿敏器件 - - 通过控制其多孔氧化物膜的厚度通过控制其多孔氧化物膜的厚度（或其它结构参数）（或其它结构参数）n可制成可制成 - - 测量绝对湿度或相对湿度的敏感元件测量绝对湿度或相对湿度的敏感元件23Al O23Al O16n1)1)多孔多孔 湿敏传感器湿敏传感器n多孔氧化物湿敏器件多孔氧化物湿敏器件 - - 常分常分( (根据结构形式不同根据结构形式不同) )n片状片状n棒状棒状n针状针状n3 3 种形式

9、的工作机理相同种形式的工作机理相同 - - 其中片状结构最常见其中片状结构最常见23Al O17n片状多孔氧化物湿敏器件结构示意图片状多孔氧化物湿敏器件结构示意图( (图图 60)60)18n片状多孔氧化物湿敏器件结构示意图片状多孔氧化物湿敏器件结构示意图n一个平板电容一个平板电容 - - 构成构成n铝质的基板铝质的基板 4 4n上电极上电极 1 1n多孔氧化物（此处为多孔氧化物（此处为 AlAl2 2O O3 3）膜）膜 2 219n以特殊工艺制成的多孔以特殊工艺制成的多孔 AlAl2 2O O3 3 膜中的气孔形状膜中的气孔形状n近似为近似为 - - 细长的圆管细长的圆管n气孔气孔 - -

10、 排列均匀排列均匀n从膜的表面从膜的表面 - - 垂直地通到膜的底部垂直地通到膜的底部n其剖面其剖面 - - 如下图如下图20n多孔多孔 AlAl2 2O O3 3 膜的气孔剖面图膜的气孔剖面图( (图图 61)61)21n多孔多孔 AlAl2 2O O3 3 膜的电特性等效电路膜的电特性等效电路( (图图 62)62)22n多孔多孔 AlAl2 2O O3 3 膜的电特性等效电路膜的电特性等效电路n上电极与基板之间的电阻和电容上电极与基板之间的电阻和电容 - - 组成组成nR R1 1 - - 气孔内表面电阻，其值取决于吸附在气孔内气孔内表面电阻，其值取决于吸附在气孔内表面上的水分子的数量表

11、面上的水分子的数量nR R2 2 - - 气孔下底到基板间的电阻气孔下底到基板间的电阻nC C2 2 - - 气孔下底与铝基板间的电容气孔下底与铝基板间的电容nC C0 0 和和 R R0 0 - - 分别为固态分别为固态 AlAl2 2O O3 3 介质所形成的电容介质所形成的电容和介质的电阻和介质的电阻23n图示的等效电路的阻抗图示的等效电路的阻抗0012211111jCRRjCRZ24n所以所以001222200122121221222022222012212222222122122202222222222012212122121111111111j CZRRj CRj C Rj CRR

12、Rj C R RRRj C R Rj C Rj CRRRC R RRRC R RC RCRRRC R RRRC R Rj25n由此由此n上电极与基板之间的电阻上电极与基板之间的电阻 Rp - Rp - 上式中的实数项上式中的实数项nCp - Cp - 上式中的虚数项上式中的虚数项n即即n因此因此 - - 不论电容不论电容 或电阻或电阻 都与都与 有关有关22202222212212PC RCCRRC R R2222122122222201221211PRRCR RRRRRCR RpC1RpR26n正如前述正如前述 - - 与气孔内壁所吸附的水分子数量有关与气孔内壁所吸附的水分子数量有关n与所感

13、受的湿度有关与所感受的湿度有关n因此因此 - - 测得测得 或或 就可确定所感受的湿度就可确定所感受的湿度n这是这是 - - 多孔多孔 AlAl2 2O O3 3 湿敏器件工作的机理湿敏器件工作的机理1RpCpR27n2)2)硅硅 MOS MOS 型型 AlAl2 2O O3 3 湿敏传感器湿敏传感器n硅硅 MOS MOS 型型 AlAl2 2O O3 3 湿敏器件结构示意图湿敏器件结构示意图( (图图 63)63)28n硅硅 MOS MOS 型型 AlAl2 2O O3 3 湿敏器件湿敏器件 - - 特点特点n(1)(1)响应速度快响应速度快n(2)(2)化学稳定性好化学稳定性好n(3)(3

14、)承受高温和低温的能力强承受高温和低温的能力强29n(1)(1)响应速度快响应速度快n要比一般的要比一般的 AlAl2 2O O3 3 器件器件 - - 快快 5 5 10 10 倍倍n(2)(2)化学稳定性好化学稳定性好n即使在高于即使在高于 9898 的纯的纯 O O2 2、高于、高于 9 9 的的 COCO2 2、含有、含有 20 mg/mm20 mg/mm3 3 的的 H H2 2S S 和和 1.81.8 3.03.0 的不饱和烃的的不饱和烃的民用煤气等气体中测量微量水分时民用煤气等气体中测量微量水分时 - - 都不影响正常都不影响正常使用使用30n(3)(3)承受高温和低温的能力强

15、承受高温和低温的能力强n可承受可承受 400 400 的高温的高温 - - 而不损坏而不损坏n也可承受液氮温度的冲击也可承受液氮温度的冲击 - - 而无损伤而无损伤31n3.3.硅结型和硅硅结型和硅 MOS MOS 型湿敏器件型湿敏器件n(1)(1)结型湿敏传感器结型湿敏传感器n结型湿敏传感器结型湿敏传感器 - - 利用肖特基结或利用肖特基结或 PN PN 结二极管反结二极管反向电流或反向击穿电压随所感受湿度变化而变化制成向电流或反向击穿电压随所感受湿度变化而变化制成的湿敏器件的湿敏器件32nSnOSnO2 2 湿敏二极管结构示意图湿敏二极管结构示意图( (图图 64)64)33nSnOSnO

16、2 2 湿敏二极管湿敏二极管 - - 置于待测湿度的环境中时置于待测湿度的环境中时n二极管结区边缘处二极管结区边缘处 - - 会吸附水分子会吸附水分子n若保持若保持 - - 加在二极管上的反向电压和负载电阻不变加在二极管上的反向电压和负载电阻不变n被测湿度增加时被测湿度增加时 - - 二极管的反向电流将减小二极管的反向电流将减小n2525，反向偏置电压为，反向偏置电压为 50V 50V 的情况下的情况下 - - 二极管的反二极管的反向电流与所测湿度的关系（图向电流与所测湿度的关系（图 6565）34nSnOSnO2 2 湿敏二极管的湿敏特性曲线湿敏二极管的湿敏特性曲线( (图图 65)65)3

17、5n(2)(2)湿敏湿敏 MOS MOS 场效应管场效应管n一种在一种在 MOS MOS 场效应管的栅极上场效应管的栅极上 - - 涂覆一层感湿薄膜涂覆一层感湿薄膜n并在感湿薄膜上并在感湿薄膜上 - - 另加一金属电极构成的湿敏器件另加一金属电极构成的湿敏器件n称称湿敏湿敏 MOS MOS 场效应管场效应管或称或称表面阻抗测量器件表面阻抗测量器件36n湿敏湿敏 MOS MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图( (图图 66)66)37nSIM SIM 测试电路图测试电路图( (图图 67)67)38nSIM SIM 测试电路图测试电路图n湿敏湿敏 MOS MOS 场效应管场效应管n要

18、与另一个在同一芯片上的、具有相同结构的、作要与另一个在同一芯片上的、具有相同结构的、作为参照用的为参照用的 MOS MOS 型场效应管型场效应管 - - 联合起来使用联合起来使用n连接电路连接电路 - - 图图 6767n图中图中 - SIM - SIM 为湿敏为湿敏 MOS MOS 场效应晶体管场效应晶体管39n4.4.其他湿敏传感器其他湿敏传感器n(1)(1)氯化锂湿敏传感器氯化锂湿敏传感器n绝缘的基片上绝缘的基片上 - - 制作一对金属电极制作一对金属电极n并在金属电极上面覆盖一层并在金属电极上面覆盖一层 - - 氯化锂溶液氯化锂溶液n由氯化锂是电解质由氯化锂是电解质 - - 并有较好的

19、感湿性并有较好的感湿性n便成为便成为 - - 一个简单的单片湿敏器件一个简单的单片湿敏器件40n氯化锂湿敏器件的感湿特征量氯化锂湿敏器件的感湿特征量n两电极间的电阻两电极间的电阻 R R，与相对湿度，与相对湿度 RH RH 和环境温度和环境温度 t t 之间之间 - - 有如下指数形式关系有如下指数形式关系n - - 起始电阻；起始电阻； - - 湿敏常数；湿敏常数； - - 温度常数温度常数n负号负号 - - 器件的电阻随湿度的增大而减小，随温度器件的电阻随湿度的增大而减小，随温度的增高而减小的增高而减小0tRHRR e0R41n典型的氯化锂湿敏器件典型的氯化锂湿敏器件 - - 结构形式结构

20、形式n1)1)柱状氯化锂湿敏器件柱状氯化锂湿敏器件n2)2)片状氯化锂湿敏器件片状氯化锂湿敏器件42n1)1)柱状氯化锂湿敏器件柱状氯化锂湿敏器件n柱状氯化锂湿敏器件示意图柱状氯化锂湿敏器件示意图( (图图 68)68)43n柱状氯化锂湿敏器件示意图柱状氯化锂湿敏器件示意图n器件的基体是圆筒形支架器件的基体是圆筒形支架 - - 上面涂一层聚苯乙烯薄上面涂一层聚苯乙烯薄膜作为憎水层膜作为憎水层n此薄膜上并排缠绕两条互相绝缘的金属线此薄膜上并排缠绕两条互相绝缘的金属线 - - 且它且它们的一端分别焊在支架底座上的两个插针式接线端们的一端分别焊在支架底座上的两个插针式接线端子上作为电极子上作为电极n

21、缠绕的两根金属线上缠绕的两根金属线上 - - 涂一层聚乙烯醇和氯化锂的涂一层聚乙烯醇和氯化锂的混合液混合液n待其干燥后待其干燥后 - - 形成一层阻值随所感受湿度变化而形成一层阻值随所感受湿度变化而变化的感湿层变化的感湿层44n2)2)片状氯化锂湿敏器件片状氯化锂湿敏器件n湿敏电阻结构示意图湿敏电阻结构示意图( (图图 69)69)45n湿敏电阻结构示意图湿敏电阻结构示意图n湿敏电阻湿敏电阻 - - 组成组成n引线引线n基片基片n感湿层感湿层n电极电极46n氯化锂氯化锂 - - 常与聚乙烯醇组成混合体常与聚乙烯醇组成混合体n氯化锂（氯化锂（LiClLiCl）溶液中）溶液中 - Li - Li

22、和和 Cl Cl 均以正负离子的均以正负离子的形式存在形式存在nLiLi+ + - - 对水分子的吸引力强对水分子的吸引力强n离子水合程度高离子水合程度高n溶液中的离子导电能力溶液中的离子导电能力 - - 与质量分数成正比与质量分数成正比47n溶液置于一定温湿场中溶液置于一定温湿场中n若环境相对湿度高若环境相对湿度高 - - 溶液将吸收水分，使质量分数溶液将吸收水分，使质量分数降低降低n因此因此 - - 其溶液电阻率增高其溶液电阻率增高n反之反之 - - 环境相对湿度变低时环境相对湿度变低时n溶液质量分数升高溶液质量分数升高 - - 其电阻率下降其电阻率下降, ,实现对湿度的实现对湿度的测量测

23、量48n(2) (2) 羧乙基纤维素碳湿敏传感器羧乙基纤维素碳湿敏传感器n羧乙基纤维素碳湿敏器件羧乙基纤维素碳湿敏器件n以高分子聚合物为湿敏材料以高分子聚合物为湿敏材料 - - 制成的器件制成的器件n利用羧乙基纤维素吸收水分后体积膨胀的特性利用羧乙基纤维素吸收水分后体积膨胀的特性 - - 制成制成n这种体积具有胀缩性的高分子聚合物中这种体积具有胀缩性的高分子聚合物中 - - 掺入可掺入可导电的微粒或离子导电的微粒或离子n可将其体积随所感受湿度而引起的变化可将其体积随所感受湿度而引起的变化 - - 转换为转换为感湿材料的导电性能的变化感湿材料的导电性能的变化49n羧乙基纤维素碳湿敏器件结构示意图

24、羧乙基纤维素碳湿敏器件结构示意图( (图图 70)70)50n羧乙基纤维素碳湿敏器件结构示意图羧乙基纤维素碳湿敏器件结构示意图n丙烯酸塑料的基片上丙烯酸塑料的基片上 - - 用涂刷导电银漆或真空镀金、用涂刷导电银漆或真空镀金、化学沉积等方法化学沉积等方法n两长边的边缘上两长边的边缘上 - - 制成金属电极制成金属电极n然后在其上涂一层然后在其上涂一层 - - 由羧乙基纤维素、导电炭黑和由羧乙基纤维素、导电炭黑和润湿性分散剂组成的浸涂液润湿性分散剂组成的浸涂液n经老化、标定后经老化、标定后 - - 即可使用即可使用51n(3) (3) 高分子电解质湿敏器件高分子电解质湿敏器件n通过聚合物的化学反

25、应，可将适当的官能团引入聚合通过聚合物的化学反应，可将适当的官能团引入聚合物中，使所生成的新的聚合物具有某些物中，使所生成的新的聚合物具有某些“功能功能”，这，这种聚合物种聚合物 - - 称称功能性高分子聚合物功能性高分子聚合物n若以聚苯乙烯若以聚苯乙烯 - - 作为基片作为基片n在其表面上通过化学反应在其表面上通过化学反应 - - 引入一个酸性基团引入一个酸性基团n在聚苯乙烯的表面上在聚苯乙烯的表面上 - - 形成一层酸性阳离子交换形成一层酸性阳离子交换树脂树脂52n聚苯乙烯聚苯乙烯n一种具有一定机械强度和绝缘性能的憎水性高分子聚一种具有一定机械强度和绝缘性能的憎水性高分子聚合物合物n但在其

26、表面上所形成的酸性阳离子交换树脂但在其表面上所形成的酸性阳离子交换树脂 - - 却是却是亲水性的亲水性的n这样在憎水性的基片表面上这样在憎水性的基片表面上 - - 制备了一层亲水层制备了一层亲水层53n高分子电解质湿敏器件高分子电解质湿敏器件 - - 特点特点n感湿范围感湿范围 - - 较宽较宽n湿滞回差湿滞回差 - - 较小较小n吸湿和脱湿时湿度指示的最大差值吸湿和脱湿时湿度指示的最大差值 - 3- 3 4 4RHRHn器件器件 - - 稳定性较好稳定性较好n器件的湿度温度系数较大器件的湿度温度系数较大 - - 具有负温度系数具有负温度系数54n5.5.湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用n(1

27、)(1)自动气象站遥测自动气象站遥测n湿敏传感器湿敏传感器 - - 广泛应用于自动气象站的遥测装置广泛应用于自动气象站的遥测装置上上n采用采用 - - 耗电量很低的湿敏元件耗电量很低的湿敏元件n可由蓄电池供电而长期工作可由蓄电池供电而长期工作 - - 几乎不需要维护几乎不需要维护55n自动气象站对湿度进行遥测的原理框图自动气象站对湿度进行遥测的原理框图( (图图 71)71)56n(2)(2)湿敏传感器测试电路湿敏传感器测试电路n应用应用 HS15 HS15 湿敏传感器的测试电路湿敏传感器的测试电路( (图图 72)72)57n主要内容主要内容n概述概述n半导体气敏传感器半导体气敏传感器n非电

28、阻式半导体气敏传感器非电阻式半导体气敏传感器n半导体气敏传感器的基本特性半导体气敏传感器的基本特性n固体电解质气敏传感器固体电解质气敏传感器n气敏传感器的应用气敏传感器的应用4.9 4.9 气敏传感器气敏传感器58n气敏传感器气敏传感器 - - 主要参数与特性主要参数与特性n(1) (1) 灵敏度灵敏度n(2) (2) 响应时间响应时间n(3) (3) 选择性选择性n(4) (4) 稳定性稳定性n(5) (5) 温度特性温度特性n(6) (6) 湿度特性湿度特性n(7) (7) 电源电压特性电源电压特性4.9.1 4.9.1 概述概述59n(1) (1) 灵敏度灵敏度n灵敏度灵敏度(S) -

29、(S) - 气敏元件的一个重要参数气敏元件的一个重要参数n标志气敏元件对气体的敏感程度标志气敏元件对气体的敏感程度 - - 决定测量精度决定测量精度n用阻值变化量用阻值变化量 R R 与气体浓度变化量与气体浓度变化量 P P 之比表之比表示示 - S=- S=RRP Pn灵敏度灵敏度 - - 另一种表示方法另一种表示方法n气敏元件在空气中的阻值气敏元件在空气中的阻值 R R0 0 与被测气体中的阻值与被测气体中的阻值 R R 之比之比(K (K 表示表示) - K = R) - K = R0 0RR60n(2) (2) 响应时间响应时间n从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到从气敏元件

30、与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的时间新的恒定值所需要的时间 - - 称称响应时间响应时间n响应时间响应时间n表示表示 - - 气敏元件对被测气体浓度的反应速度气敏元件对被测气体浓度的反应速度61n(3) (3) 选择性选择性n多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力力 - - 称称选择性选择性n对某种气体对某种气体 - - 选择性好选择性好n表示表示 - - 气敏元件对它有较高的灵敏度气敏元件对它有较高的灵敏度n选择性是气敏元件的重要参数选择性是气敏元件的重要参数 - - 也是目前较难解决也是目前较难解决的问题之一的问

31、题之一62n(4) (4) 稳定性稳定性n气体体积分数不变时气体体积分数不变时 - - 若其他条件发生变化若其他条件发生变化n规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力 - - 称称稳定性稳定性n稳定性稳定性n表示表示 - - 气敏元件对于气体体积分数以外的各种因气敏元件对于气体体积分数以外的各种因素的抵抗能力素的抵抗能力63n(5) (5) 温度特性温度特性n气敏元件灵敏度随温度变化的特性气敏元件灵敏度随温度变化的特性 - - 称称温度特性温度特性n温度有温度有 - - 元件自身温度与环境温度之分元件自身温度与环境温度之分n两种温度两种温度 - -

32、对灵敏度都有影响对灵敏度都有影响n元件自身温度元件自身温度 - - 对灵敏度的影响相当大对灵敏度的影响相当大n解决这个问题的措施之一解决这个问题的措施之一 - - 采用温度补偿方法采用温度补偿方法64n(6) (6) 湿度特性湿度特性n气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特性气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特性 - - 称称湿度湿度特性特性n湿度特性湿度特性 - - 影响检测精度的另一个因素影响检测精度的另一个因素n解决这个问题的措施之一解决这个问题的措施之一 - - 采用湿度补偿方法采用湿度补偿方法65n(7) (7) 电源电压特性电源电压特性n气敏元件的灵敏度随电源电压变化的特性气敏元件的灵敏

33、度随电源电压变化的特性 - - 称称电源电源电压特性电压特性n为改善这种特性为改善这种特性 - - 需采用恒压源需采用恒压源66n气敏传感器气敏传感器 - - 虽种类甚多但都有基本要求虽种类甚多但都有基本要求n(1)(1)对被测的气体对被测的气体 - - 有高灵敏度有高灵敏度n(2)(2)选择性要好选择性要好 - - 即对和被测气体共存的其他气体不即对和被测气体共存的其他气体不敏感敏感n(3)(3)能够长时期稳定工作能够长时期稳定工作n(4)(4)检测或报警要快检测或报警要快 - - 既响应速度要快既响应速度要快67n半导体气敏传感器半导体气敏传感器n利用半导体材料与气体利用半导体材料与气体

34、- - 相接触时相接触时n导致半导体电阻和功函数导致半导体电阻和功函数 - - 会发生变化的效应会发生变化的效应n检测检测 - - 气体成分或体积分数的传感器气体成分或体积分数的传感器4.9.2 4.9.2 半导体气敏传感器半导体气敏传感器68n半导体气敏传感器半导体气敏传感器 - - 有有n1.1.电阻式半导体气敏传感器电阻式半导体气敏传感器n2.2.表面控制型传感器表面控制型传感器n3.3.体控制型传感器体控制型传感器69n1.1.电阻式半导体气敏传感器电阻式半导体气敏传感器n电阻式半导体气敏元件的材料电阻式半导体气敏元件的材料n多采用多采用 - - 氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物氧化锡

35、和氧化锌等较难还原的氧化物n一般在气敏元件材料内一般在气敏元件材料内 - - 也会掺入少量的铂等贵重也会掺入少量的铂等贵重金属作为催化剂金属作为催化剂n以便提高以便提高 - - 检测的选择性检测的选择性70n常用常用 - - 电阻式半导体气敏元件的结构类型电阻式半导体气敏元件的结构类型n烧结型烧结型n薄膜型薄膜型n厚膜型厚膜型71n(1) (1) 烧结型烧结型n烧结型气敏元件的制作烧结型气敏元件的制作n敏感材料（敏感材料（SnOSnO2 2、InOInO等）及掺杂剂（等）及掺杂剂（PtPt、PbPb）- - 按一定的配比用水或黏合剂调和按一定的配比用水或黏合剂调和n经研磨后经研磨后 - - 再

36、均匀混合再均匀混合n再用传统制陶的方法再用传统制陶的方法 - - 进行烧结进行烧结n烧结型气敏元件一般分为烧结型气敏元件一般分为 - - 内热式和旁热式内热式和旁热式72n烧结型气敏元件结构示意图烧结型气敏元件结构示意图( (图图 73)73)73n(2) (2) 薄膜型薄膜型n薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件 - - 绝缘衬底（如石英晶片）上蒸发绝缘衬底（如石英晶片）上蒸发或溅射上一块氧化物半导体薄膜（厚度一般为数微米）或溅射上一块氧化物半导体薄膜（厚度一般为数微米）制成制成( (图图 74)74)n薄膜型结构的气敏器件薄膜型结构的气敏器件n优点优点 - - 机械强度较高、产量高、成本低机械强度

37、较高、产量高、成本低n缺点缺点 - - 器件的性能与工艺条件和薄膜的物理化学器件的性能与工艺条件和薄膜的物理化学状态有关，故各元件间一致性较差状态有关，故各元件间一致性较差74n薄膜型原件结构示意图薄膜型原件结构示意图( (图图 74)74)75n(3) (3) 厚膜型厚膜型n用厚膜工艺制作的器件用厚膜工艺制作的器件n灵敏度与烧结型器件相当灵敏度与烧结型器件相当 - - 机械强度较高机械强度较高n器件的一致性较好器件的一致性较好 - - 适宜批量生产适宜批量生产n一种很有前途的器件一种很有前途的器件76n厚膜型原件结构示意图厚膜型原件结构示意图( (图图 75)75)77n2.2.表面控制型传

38、感器表面控制型传感器n(1) (1) 氧化锡（氧化锡（SnOSnO2 2）类元件）类元件n氧化锡氧化锡 - - 典型的典型的 N N 型半导体型半导体n氧化锡类多孔质烧结体气敏元件氧化锡类多孔质烧结体气敏元件 - - 目前广泛应用目前广泛应用的一类元件的一类元件n由氯化锡（由氯化锡（SnClSnCl4 4）和氧化锡粉末）和氧化锡粉末 - - 在温度在温度 700 700 900 900 下烧结制成下烧结制成78n添加有添加有 ThOThO2 2 的的 SnOSnO2 2 气敏原件在不同体积分数气敏原件在不同体积分数的的 CO CO 气体中的振荡波形气体中的振荡波形( (图图 76)76)79n

39、添加有添加有 ThOThO2 2 的元件的元件 - - 在检测一氧化碳（在检测一氧化碳（COCO）时）时n灵敏度有随时间振荡的现象灵敏度有随时间振荡的现象 - - 图图 7676n灵敏度的振荡频率和振幅灵敏度的振荡频率和振幅 - - 与被测气体的浓度有关与被测气体的浓度有关n如如 - - 图图 7777n可利用此现象可利用此现象 - - 对对 CO CO 体积分数作较为精确的定量体积分数作较为精确的定量检测检测80n振荡频率和振幅与振荡频率和振幅与 CO CO 体积分数的关系体积分数的关系( (图图 77)77)81n(2) (2) 氧化锌（氧化锌（ZnOZnO）类元件）类元件n氧化锌类气敏元

40、件氧化锌类气敏元件 - - 对还原性气体有较高的灵敏度对还原性气体有较高的灵敏度n但工作温度但工作温度 - - 要比氧化锡类气敏元件高要比氧化锡类气敏元件高 100100n因此因此 - - 其应用不如氧化锡类气敏元件普遍其应用不如氧化锡类气敏元件普遍82n为提高为提高 - - 元件的选择性元件的选择性n氧化锡类气敏元件氧化锡类气敏元件 - - 需要添加铂（需要添加铂（PtPt）和钯（）和钯（PdPd）等金属作为催化剂等金属作为催化剂n添加剂的成分与含量等添加剂的成分与含量等n也会影响也会影响 - - 元件的选择性元件的选择性83n如如 - - 元件中添加钯（元件中添加钯（PdPd） n对对 C

41、O CO 呈现呈现 - - 高灵敏度高灵敏度n而对而对 C C4 4H H1010、C C3 3H H8 8、C C2 2H H6 6 等烷炔类气体的灵敏度等烷炔类气体的灵敏度 - - 很很低低n如如 - - 图图 78 a78 a）84n如如 - - 添加铂（添加铂（PtPt）n对烷炔类气体对烷炔类气体 - - 呈现高的灵敏度呈现高的灵敏度n且含碳量越高且含碳量越高 - - 灵敏度越高灵敏度越高n相反相反n对对 H H2 2、CO CO 等气体等气体 - - 灵敏度很低灵敏度很低( (图图 78 b78 b）) )85nZnO ZnO 类气敏元件灵敏度曲线类气敏元件灵敏度曲线( (图图 78

42、)78)86n3.3.体控制型传感器体控制型传感器n体控制型传感器体控制型传感器 - - 由半导体体内晶格发生变化而引由半导体体内晶格发生变化而引起电阻发生变化的气敏传感器起电阻发生变化的气敏传感器n对于对于 - - 易还原的氧化物半导体易还原的氧化物半导体n较低温度下较低温度下 - - 半导体的晶格缺陷随易燃性气体而半导体的晶格缺陷随易燃性气体而变化变化n对于对于 - - 难还原的氧化物半导体难还原的氧化物半导体n较高温度下，晶格缺陷浓度也会发生变化较高温度下，晶格缺陷浓度也会发生变化 - - 最终最终导致电导率发生变化导致电导率发生变化87n非电阻式半导体气敏传感器非电阻式半导体气敏传感器

43、 - - 有有nFET FET 型气敏传感器型气敏传感器n二极管气敏传感器二极管气敏传感器4.9.3 4.9.3 非电阻式半导体气敏传感器非电阻式半导体气敏传感器88n1.FET 1.FET 型气敏传感器型气敏传感器nMOSFET MOSFET 场效应晶体管场效应晶体管 - - 通过栅极外加电场来控制漏通过栅极外加电场来控制漏极电流极电流nFET FET 型气敏传感器型气敏传感器 - - 利用环境气体对场效应管的这利用环境气体对场效应管的这种控制作用的影响制成种控制作用的影响制成n普通普通 MOSFET MOSFET 的的 SiOSiO2 2 层层 - - 做得很薄做得很薄n并在栅极镀上一层很

44、薄（并在栅极镀上一层很薄（10nm10nm）的）的 Pd - Pd - 可用来检可用来检测空气中的氢气（测空气中的氢气（H H2 2）89n2.2.二极管气敏传感器二极管气敏传感器n若二极管的金属膜与半导体的界面若二极管的金属膜与半导体的界面 - - 吸附着能对半吸附着能对半导体禁带宽度或金属功函数产生影响的气体导体禁带宽度或金属功函数产生影响的气体n二极管的整流性能二极管的整流性能 - - 会发生变化会发生变化n若掺杂铟（若掺杂铟（InIn）的硫化铬上）的硫化铬上 - - 蒸发一层很薄的钯蒸发一层很薄的钯（PdPd）膜）膜n会形成会形成 - - 能用来检测氢气（能用来检测氢气（H H2 2）

45、的钯硫化铬二极）的钯硫化铬二极管气敏传感器管气敏传感器90n工作原理工作原理n氢气（氢气（H H2 2）的体积分数急剧升高时）的体积分数急剧升高时 - - 吸附在钯（吸附在钯（PdPd）表面的氧气（表面的氧气（O O2 2）会由于氢气体积分数的增高而解脱）会由于氢气体积分数的增高而解脱吸附吸附n使肖特基势垒降低使肖特基势垒降低 - - 结果使正向偏置下的电流急结果使正向偏置下的电流急剧增大剧增大n故一定偏置下故一定偏置下 - - 通过测量电流值即可得知氢气的通过测量电流值即可得知氢气的体积分数体积分数91n1.1.初期恢复特性初期恢复特性n2.2.初期稳定特性初期稳定特性n3.3.灵敏度特性灵

46、敏度特性n4.4.选择性选择性n5.5.时效性和互换性时效性和互换性n6.6.环境依赖性环境依赖性4.9.4 4.9.4 半导体气敏传感器的基本特性半导体气敏传感器的基本特性92n1.1.初期恢复特性初期恢复特性n气敏元件在短期不通电状态下存放后气敏元件在短期不通电状态下存放后 - - 再通电时再通电时n不能不能 - - 马上正常工作马上正常工作n阻值会先有一个急剧变化阻值会先有一个急剧变化 - - 然后逐渐趋于稳定值然后逐渐趋于稳定值n气敏元件的这种特性气敏元件的这种特性 - - 称称初期恢复特性初期恢复特性93n初期恢复特性初期恢复特性n一般用一般用 - - 初期恢复时间来进行衡量初期恢复

47、时间来进行衡量n初期恢复时间初期恢复时间n气敏元件从通电开始到元件阻值达到稳定气敏元件从通电开始到元件阻值达到稳定 - - 所用所用的时间的时间n与元件种类、存放时间和存放环境与元件种类、存放时间和存放环境 - - 有关有关94n2.2.初期稳定特性初期稳定特性n电阻式气敏元件电阻式气敏元件 - - 长时间不通电存放长时间不通电存放n阻值将比初始稳定值阻值将比初始稳定值 - - 要高要高 2020 左右左右n通电开始到一定时间后通电开始到一定时间后 - - 元件电阻才恢复到初始时元件电阻才恢复到初始时电阻值并稳定下来电阻值并稳定下来n一般通电开始到元件阻值达到稳定的时间一般通电开始到元件阻值达

48、到稳定的时间 - - 称称初期初期稳定时间稳定时间n用以表示用以表示 - - 气敏元件的初期稳定性气敏元件的初期稳定性95n工作中工作中 - - 气敏元件气敏元件n有有 - - 一定的温度要求一定的温度要求n通过通过 - - 加热来满足加热来满足n不同的元件不同的元件 - - 加热过程中加热过程中n需要需要 - - 经过一段过渡性变化经过一段过渡性变化n才能达到才能达到 - - 其稳定阻值其稳定阻值96n气敏元件气敏元件 - - 初期稳定时间初期稳定时间n随元件种类和表面温度不同随元件种类和表面温度不同 - - 而异而异n一般一般n直热式气敏元件的初期稳定时间直热式气敏元件的初期稳定时间 -

49、- 较长较长n旁热式气敏元件的初期稳定时间旁热式气敏元件的初期稳定时间 - - 较短较短97n3.3.灵敏度特性灵敏度特性n气敏元件输出电阻值与待测气体体积分数之间的关系气敏元件输出电阻值与待测气体体积分数之间的关系曲线曲线 - - 气敏元件的体积分数特性气敏元件的体积分数特性n对应于曲线上某点的斜率大小对应于曲线上某点的斜率大小n即代表即代表 - - 气敏元件的灵敏度气敏元件的灵敏度98n元件阻值与待检测气体浓度元件阻值与待检测气体浓度 - - 具有如下关系具有如下关系n式中式中n - - 元件阻值元件阻值n - - 气体体积分数气体体积分数nm m、n - n - 常数常数nm - m -

50、 代表元件对于气体体积分数变化的敏感性，又代表元件对于气体体积分数变化的敏感性，又称称气体分离能气体分离能n对于可燃性气体对于可燃性气体 - m - m 值介于值介于 1/2 1/2 1/3 1/3nn - n - 与检测气体灵敏度有关与检测气体灵敏度有关csRncmRsloglog99n常见常见 - - 烧结型烧结型 SnOSnO2 2 气敏元件气敏元件n一般低体积分数气体中一般低体积分数气体中 - - 灵敏度高，阻值变化明显灵敏度高，阻值变化明显n高体积分数气体中高体积分数气体中 - - 元件的阻值趋于稳定值元件的阻值趋于稳定值n非常适于检测非常适于检测 - - 低浓度微量气体低浓度微量气

51、体n被用来检查被用来检查 - - 可燃气体的泄露和定限报警等场合可燃气体的泄露和定限报警等场合100n4.4.选择性选择性n反映反映 - - 元件对待测或共存气体相对灵敏度的大小元件对待测或共存气体相对灵敏度的大小n由气敏半导体由气敏半导体 - - 对于各种还原性气体的灵敏度很接对于各种还原性气体的灵敏度很接近近n元件制作过程中元件制作过程中 - - 需采用不同的方法需采用不同的方法n并选择恰当的工作温度并选择恰当的工作温度 - - 以满足不同应用场合的以满足不同应用场合的需要需要101n5.5.时效性和互换性时效性和互换性n电阻式气敏元件电阻式气敏元件 - - 由于在较高温度等恶劣环境下长由

52、于在较高温度等恶劣环境下长期使用后会造成气敏特性漂移期使用后会造成气敏特性漂移n同时传统元件参数性能分散，互换性差同时传统元件参数性能分散，互换性差 - - 会对实用会对实用带来很大不便带来很大不便n一般用时效性来表征一般用时效性来表征 - - 元件气敏特性稳定程度的时元件气敏特性稳定程度的时间间n用互换性来表征用互换性来表征 - - 同一型号元件之间气敏特性的一同一型号元件之间气敏特性的一致性致性102n6.6.环境依赖性环境依赖性n环境对元件特性的影响环境对元件特性的影响 - - 主要有主要有n其一其一 - - 待测气体的温度或湿度引起气体体积分数变待测气体的温度或湿度引起气体体积分数变化

53、造成的化造成的n其二其二 - - 由环境的温度或湿度变化造成元件特性漂移由环境的温度或湿度变化造成元件特性漂移造成的造成的103n固体电解质固体电解质n不是由电子传导，而是由离子（阳离子或阴离子）传不是由电子传导，而是由离子（阳离子或阴离子）传导的材料导的材料 - - 称称固体电解质固体电解质n固体电解质固体电解质 - - 有有n浓差电池型气敏传感器浓差电池型气敏传感器n组合电位型气敏传感器组合电位型气敏传感器4.9.5 4.9.5 固体电解质气敏传感器固体电解质气敏传感器104n1.1.浓差电池型气敏传感器浓差电池型气敏传感器n这类传感器中最典型的是这类传感器中最典型的是 - - 稳定型氧化

54、锆（稳定型氧化锆（ZrOZrO2 2- -Y Y2 2O O3 3）的氧传感器）的氧传感器n稳定性氧化锆稳定性氧化锆 - CaO- CaO、MgOMgO、Y Y2 2O O3 3 等固溶于等固溶于 ZrOZrO2 2 中中的一类材料的一类材料n氧化锆的两侧氧化锆的两侧 - - 装上不电解的铂电极装上不电解的铂电极n两个电极处的氧的化学位不相同时，两电极间产生两个电极处的氧的化学位不相同时，两电极间产生浓差电动势浓差电动势 - - 因此称因此称浓差电池型气敏传感器浓差电池型气敏传感器105n浓差电池型气敏传感器浓差电池型气敏传感器n浓差电池型气敏传感器浓差电池型气敏传感器 - - 以气相处于平衡

55、状态为前以气相处于平衡状态为前提提n如如n空气与氧混合的情况下空气与氧混合的情况下 - - 可测出两者反应后达到可测出两者反应后达到平衡时的气氛平衡时的气氛n一般一般 - - 很难在低于很难在低于 400 400 的环境中使用的环境中使用n已研制成的这类传感器已研制成的这类传感器 - - 用于汽车发动机空燃比用于汽车发动机空燃比控制的氧传感器控制的氧传感器106n2.2.组合电位型气敏传感器组合电位型气敏传感器n用浓差电池型固体电解质气敏传感器来检测用浓差电池型固体电解质气敏传感器来检测 - - 空气空气和可燃性气体的混合物时和可燃性气体的混合物时n难于产生气相平衡的条件下难于产生气相平衡的条

56、件下 - - 很难测准很难测准n有时在不平衡的条件下产生的浓差电动势有时在不平衡的条件下产生的浓差电动势 - - 甚至甚至大于平衡后产生的电动势大于平衡后产生的电动势n这种异常电位这种异常电位 - - 随温度、电极的催化、气体的种随温度、电极的催化、气体的种类等不同有很大的差异类等不同有很大的差异107n若在稳定的氧化锆两侧所装的铂电极之一若在稳定的氧化锆两侧所装的铂电极之一 - - 用用氧化催化剂覆盖氧化催化剂覆盖n这种元件与含有这种元件与含有 CO CO 的空气接触时的空气接触时 - - 可得到较大的可得到较大的浓差电动势浓差电动势n因元件工作温度在因元件工作温度在 300 300 以下时

57、以下时 - - 在催化剂催化一在催化剂催化一侧的电极上侧的电极上 CO CO 被氧化形成几乎与空气相同的氧化气被氧化形成几乎与空气相同的氧化气氛，显然该电极是作为普通氧电极来工作的氛，显然该电极是作为普通氧电极来工作的n但另一铂电极则由但另一铂电极则由 CO CO 的电化学氧化而变成组合电极的电化学氧化而变成组合电极 - - 这样的电器敏感传感器称这样的电器敏感传感器称组合电位型气敏传感器组合电位型气敏传感器108n1.1.气敏传感器的应用范围气敏传感器的应用范围n(1)(1)按照用途按照用途n(2)(2)按照检测气体的对象按照检测气体的对象4.9.6 4.9.6 气敏传感器的应用气敏传感器的

58、应用109n(1)(1)按照用途按照用途n按照用途按照用途 - - 利用半导体气敏传感器可做成如下仪器利用半导体气敏传感器可做成如下仪器n1)1)检漏仪（或称探测器）检漏仪（或称探测器）n2)2)报警器报警器n3)3)自动控制仪器自动控制仪器n4)4)测试仪器测试仪器110n1)1)检漏仪（或称探测器）检漏仪（或称探测器）n利用气敏传感器的气敏特性利用气敏传感器的气敏特性 - - 将其作为气将其作为气 - - 电转换电转换元件元件n再配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分再配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分 - - 组组成的气体探测仪器成的气体探测仪器n此类仪器此类仪器 - - 一般均要求

59、有高灵敏度一般均要求有高灵敏度111n2)2)报警器报警器n对泄露的气体达到限值时对泄露的气体达到限值时 - - 能自动进行报警的仪器能自动进行报警的仪器n3)3)自动控制仪器自动控制仪器n利用气敏传感器的气敏特性来实现利用气敏传感器的气敏特性来实现 - - 电气设备自动电气设备自动控制的仪器控制的仪器n如如 - - 换气扇自动换气控制等换气扇自动换气控制等112n4)4)测试仪器测试仪器n利用气敏传感器利用气敏传感器 - - 对不同气体具有不同的体积分数对不同气体具有不同的体积分数特性（即元件电阻特性（即元件电阻 - - 气体体积分数关系）来测量、气体体积分数关系）来测量、确定气体种类和体积

60、分数确定气体种类和体积分数n此种仪器此种仪器 - - 对气敏传感器的性能有较高的要求对气敏传感器的性能有较高的要求n测试部分测试部分 - - 要有高精度测量电路要有高精度测量电路113n(2)(2)按照检测气体的对象按照检测气体的对象n按照检测气体的对象利用半导体气敏传感器按照检测气体的对象利用半导体气敏传感器 - - 可做可做成如下仪器成如下仪器n1)1)特定气体的检测仪器特定气体的检测仪器n2)2)混合气体的选择性检测仪器混合气体的选择性检测仪器n3)3)环境气氛的检测仪器环境气氛的检测仪器114n1)1)特定气体的检测仪器特定气体的检测仪器n利用气敏传感器利用气敏传感器 - - 对某种特