第10章 半导体式化学传感器

1、主要内容：主要内容：概述概述半导体电特性被测量电信号概述概述 气敏元件湿敏元件 ； 氧气氧气氢气氢气-+半导体半导体电阻变化电阻变化气体气体N-氧氧N-氢氢P+N -氧氧N-氢氢- 电阻式气敏传感器可以等效为电阻电阻式气敏传感器可以等效为电阻气敏传感器气敏传感器电路符号电路符号a. 固有电阻固有电阻RaF 气敏元件在气敏元件在洁净空气洁净空气中的电阻值称为中的电阻值称为固有电阻固有电阻Ra ，固有电，固有电阻值一般阻值一般在在几十几十kk到数几百到数几百kk范围内。范围内。F 气敏传感器的分辨率反映气体元件对被测气体的识别气敏传感器的分辨率反映气体元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力，

2、即以及对干扰气体的抑制能力，即gagiaUUsUUb. 分辨率分辨率式中，式中，Ugi 在规定浓度下，元件在第在规定浓度下，元件在第i 种气体中负载电阻上电压。种气体中负载电阻上电压。c. 灵敏度灵敏度 表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：F 电阻灵敏度电阻灵敏度: 气敏元件的气敏元件的固有电阻固有电阻Ra与在与在规定气体浓度下规定气体浓度下气敏元件的电阻气敏元件的电阻Rg 之比为电阻灵敏度，即之比为电阻灵敏度，即/agkRRF 气体分离度气体分离度: 气体浓度分别为气体浓度分别为g1、g2 时，气体元件的电阻时，气体元件的电阻Rg1、R g2 之比

3、为气体分离度，可表示为之比为气体分离度，可表示为12/ggRR/uagKUUF 电压灵敏度电压灵敏度，气敏元件在，气敏元件在固有电阻值固有电阻值时的输出电压时的输出电压Ua 与在与在规定浓度下负载规定浓度下负载电阻的两端电压电阻的两端电压Ug 之比为电压灵敏度之比为电压灵敏度d.时间常数时间常数F 从气敏元件与某一特定浓度的从气敏元件与某一特定浓度的气体接触开始气体接触开始，到元件的阻，到元件的阻 值达到此浓度下值达到此浓度下稳定阻值稳定阻值的的63.2%为止所需要的时间称为为止所需要的时间称为 元件在该浓度下的元件在该浓度下的时间常数时间常数 。e. 恢复时间恢复时间 trF 由气敏元件由气

4、敏元件脱离脱离某一浓度的气某一浓度的气体开始，到气敏元件的阻值恢体开始，到气敏元件的阻值恢复到复到固有电阻固有电阻Ra的的36.8%为止为止所需要的时间称为元件的恢复所需要的时间称为元件的恢复时间时间tr。气敏传感器测量电路气敏传感器测量电路 测量电路是将元件测量电路是将元件电阻的变化转化成电压电流的变化电阻的变化转化成电压电流的变化。 测量电路包括测量电路包括加热回路加热回路和和测试回路测试回路两部分：两部分： A、B端为传感器测量电极回路，端为传感器测量电极回路，F、F引脚为加热回路。引脚为加热回路。 加热电极加热电极F、F电压电压UH = 5V， A-B之间电极端等效为电阻之间电极端等效

5、为电阻Rs， 负载电阻负载电阻RL兼做取样电阻；兼做取样电阻；0LSLRUURR 可见可见 输出电压与气敏电阻有对应关系输出电压与气敏电阻有对应关系F 负载电阻上输出电压为：负载电阻上输出电压为：MOSMOS二极管二极管元件结构元件结构MOSMOS二极管二极管CU CU 特性特性MOSMOS二极管气敏二极管气敏元件等效电路元件等效电路 UGSUT（阈值电压）时栅极氧化层（阈值电压）时栅极氧化层 下的硅从下的硅从P变为变为N型，型，N型区将型区将S（源）（源）和和D（漏）连接起来，形成导电通（漏）连接起来，形成导电通道，道，MOSFET进入工作状态。进入工作状态。在电压在电压UDS作用下作用下D

6、-S有电流有电流IDS流过。流过。F IDS随随UDS、UGS变化；变化；当当UGS UT时沟道没形成时沟道没形成, 无漏源电流无漏源电流, IDS=0。UT称为阈值电压称为阈值电压（2 2）MOSFET(MOSFET(场效应管场效应管) )气敏元件气敏元件钯钯Pd Pd MOSFET MOSFET管结构与工作原理管结构与工作原理DGSbU UT TI IDSDSUGS N沟道沟道MOSFET，当栅（，当栅（G）源（）源（S）间加正）间加正向偏压向偏压 （电场作用下空间电荷区逐渐增大）（电场作用下空间电荷区逐渐增大）- 阈值电压阈值电压UT大小大小与材料有关外，与材料有关外， 与与金属与半导体

7、间的功函数有关金属与半导体间的功函数有关。Pd对对H2吸附性很强，吸附性很强，H2吸附在吸附在Pd栅上引起栅上引起Pd功函数降低。功函数降低。PdMOSFET器件就是利用器件就是利用H2在在钯栅极吸附后改变功函数使钯栅极吸附后改变功函数使UT下下降降引起引起漏漏-源电流源电流的变化检测的变化检测H2浓度。浓度。 氢气扩散到钯氢气扩散到钯- -硅介质边界时形成硅介质边界时形成电偶层，从而使电偶层，从而使MOSMOS场效应管的阈场效应管的阈值电压下降，值电压下降，当渗透到鈀中的氢气当渗透到鈀中的氢气被释放逸散时，阈值电压恢复常态被释放逸散时，阈值电压恢复常态。 Pd 5V（半定量）信号M LM39

8、14LM3914LEDLED驱动器驱动器集成电路内部电路集成电路内部电路 条形条形LEDLED器件封装器件封装Ceramic substrateConnection wiresBase electrode Porouscover-electrode Polymer layer绝缘层绝缘层上电上电 极极 下下 电电 极极v 湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活有很大湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活有很大 影响，潮湿影响，潮湿发霉，干燥发霉，干燥不舒服。不舒服。u 湿度传感器主要应用于温湿度传感器主要应用于温 湿度检测控制湿度检测控制, ,如：军械仓库、粮仓、水果如

9、：军械仓库、粮仓、水果 保鲜等场合。保鲜等场合。v 最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计毛发湿度计，逐，逐 渐有了渐有了电阻湿度计电阻湿度计，半导体湿度计半导体湿度计是近年来才出现的。是近年来才出现的。v 湿度通常用湿度通常用绝对湿度绝对湿度和和相对湿度相对湿度表示：表示： 绝对湿度绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号用符号 AH 表示，单位（表示，单位（g/m3）。）。 露点：露点：当空气中的温度下降到某一温度时，空气中的当空气中的温度下降到某一温度时，空气中的水汽就有可能转化为液

10、相而凝结成露珠水汽就有可能转化为液相而凝结成露珠，这一特定温，这一特定温度称为空气的露点或度称为空气的露点或露点温度露点温度。 此时空气的水汽分压此时空气的水汽分压将与同温度下水的将与同温度下水的饱和水汽压饱和水汽压相等相等J 相对湿度相对湿度: 被测气体中被测气体中蒸汽压蒸汽压和该气体在相同温度下和该气体在相同温度下饱合水蒸气压饱合水蒸气压的百分比，一般用的百分比，一般用 %RH 表示，表示，无量纲无量纲。 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是一种电解质湿敏电阻是一种电解质湿敏电阻氯化锂电阻是利用氯化锂电阻是利用吸湿性盐类潮解吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化检离子导电率发生变化检测湿度测湿度。在

11、氯化锂（在氯化锂（LiCl）溶液中，）溶液中，Li和和Cl以正负离子的形式存在，以正负离子的形式存在，锂离子（锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，）对水分子的吸收力强，离子水合成度高， 溶液中的溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比。离子导能力与溶液浓度成正比。氯化锂湿敏电阻结构氯化锂湿敏电阻结构 晶体吸湿潮解产生离子晶体吸湿潮解产生离子( (离子导电离子导电) )，湿度增加时离子增多，湿度增加时离子增多（水分子的（水分子的氢原子氢原子具有很强的具有很强的正电场）正电场），导电率上升，电导电率上升，电阻率下降阻率下降 。 当溶液置于一定湿度场中，若环境当溶液置于一定湿度场中，若环境

12、RH上升上升，溶液吸收，溶液吸收水分子使水分子使离子离子浓度上升浓度上升电阻率下降；电阻率下降； 反之，反之，RH下降，溶液浓度下降电阻率上升。下降，溶液浓度下降电阻率上升。 %RH吸湿吸湿浓度浓度 R %RH脱湿脱湿浓度浓度 R v 通过测量溶液电阻通过测量溶液电阻R值实现对值实现对 湿度测量。检测精度达湿度测量。检测精度达5%。氯化锂湿敏电阻特性氯化锂湿敏电阻特性 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻又称半导瓷又称半导瓷 用两种以上的金属用两种以上的金属氧化物氧化物半导体烧结成多孔陶瓷；半导体烧结成多孔陶瓷； 多孔陶瓷表面吸收水分的情况可以分为三个阶段：多孔陶瓷表面吸收水分的情况可以分为三

13、个阶段： 第一阶段，陶瓷在低湿区域或刚接触水汽；第一阶段，陶瓷在低湿区域或刚接触水汽； 第二阶段，进一步吸收水分子或中等湿度环境；第二阶段，进一步吸收水分子或中等湿度环境； 第三阶段，大量水汽存在使晶粒界充满水分子。第三阶段，大量水汽存在使晶粒界充满水分子。典型半导体陶瓷湿敏传感器典型半导体陶瓷湿敏传感器负特性负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，电湿敏半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。由于水分子阻随湿度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体半导体瓷表面俘获电子，使

14、半导体表面带负电，相当表面电势变负，表面带负电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。电阻率随湿度增加而下降。正湿敏正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻特性半导体瓷湿敏电阻 （例：（例：FeFe3 3O O4 4），材料结构、电子能），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。升高没有负特性阻值下降的明显。F 半导瓷材料有半导瓷材料有正湿度系数正湿度系数和和负湿度系数负湿度系数两种：两种： 湿度上升湿度上升RH下降下降VT3截止，截止，VT4导通，导通，J2接通干燥设备，接通干燥设备，LED2点亮；点亮； 同时同时VT2截止，截止，VT

15、1截止，截止，J1失去电流释放，关闭增湿设备；失去电流释放，关闭增湿设备； 湿度下降湿度下降RH上升上升VT3导通，导通，VT4截止，截止，J2释放。释放。湿度控制电路湿度控制电路湿度传感器应用水质检测仪器水质检测仪器笔笔式式酸酸度度计计纯水测试仪纯水测试仪 便携式盐度计便携式盐度计便携式浊度测定仪便携式浊度测定仪酸酸度度计计溶液中离子浓度是指含离子的多少，溶液中离子浓度是指含离子的多少，单位：单位：mol(摩尔）摩尔）/ L（升）（升） 。氢离子浓度对化学生物反映起着支配氢离子浓度对化学生物反映起着支配作用作用，为判断水中氢离子浓度（活度），为判断水中氢离子浓度（活度）用一个特殊的量值用一个

16、特殊的量值“PH值值”来表示。来表示。 测量溶液（体液）中离子浓度测量溶液（体液）中离子浓度器件器件，是一种对是一种对离子具有选择敏感作用离子具有选择敏感作用的的场场效应晶体管效应晶体管。PH PH 计计 离子敏传感器离子敏传感器由由离子选择电极（离子选择电极（ISE）-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSFET）组成，）组成， 简称简称ISFET-离子场效应晶体管。离子场效应晶体管。与普通与普通MOSFET管结构不同之处是管结构不同之处是没有金属栅极；没有金属栅极；在绝缘栅极上制作一层在绝缘栅极上制作一层敏感膜敏感膜，测，测量时将绝缘栅膜直接与被测溶液接量时将绝缘栅膜直接与被测溶液接触。触。离子传感器离子传感器是通过是通过测定溶液与电极测定溶液与电极的界面电位的界面电位来检测溶液中离子浓度。来检测溶液中离子浓度。将普通将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直的金属栅去掉，让绝缘氧化层直接与溶液相接触，栅极用接与溶液相接触，栅极用铂金属膜作引线铂金属膜作引线，在铂，在铂膜上涂一层离子敏感膜，构成离子敏场效应管膜上涂一层离子敏感膜，构