第9章半导体传感器

第9章半导体传感器9.1

气敏传感器

9.2

湿敏传感器

9.3

色敏传感器

一、气敏传感器气敏传感器可以识别气体的类别，测定气体的浓度和成分，多用于检测气体中所含某种特定气体的成分，将其变成电信号。

气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。1、半导体气敏传感器的工作机理：2

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。气敏传感器气敏元件的工作原理十分复杂，有不同的解释模型。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。3半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传感器）和固体电解质型。

2、半导体气敏传感器分类：按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法,在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1μm以下）,构成薄膜型气敏元件。4厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。

工艺最成熟的是烧结型。烧结型气敏元件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）烧结型气敏元件,它的加热温度较低,一般在200～300℃,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。5半导体气敏传感器的结构如下图所示。一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。6

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，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。7

当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)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。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体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。具有正离子吸附倾向的气体有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。

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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，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。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，则载流子增多，使半导体电阻值下降。9下图表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。图N型半导体吸附气体时器件阻值变化图10

由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。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。11气敏元件工作时必须加热，其目的是：加速被测气体的吸附、脱出过程；烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。12

气敏元件一般工作在200～400℃的高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。13烧结型气体传感器的结构与符号烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种,其结构与符号如图所示。图直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号1、2、3、4为热子兼电极

直热式的加热丝兼作电极。其结构简单、成本低、功耗小；但热容量小，易受环境气流影响；因加热丝热胀冷缩，易使之与材料接触不良；在测量电路中，信号电路和加热电路相互干扰。14图间热式气敏器件结构及符号1、2，3、4—直热式热子兼电极2、5—间热式热子1、3，4、6—间热式电极7—SnO2烧结体8—绝缘瓷管

间热式的加热丝与电极分立，加热丝插入陶瓷管内，管外壁上涂制梳状金电极，最外层则为SnO2烧结体。它克服了直热式的缺点，有较好的稳定性。15烧结型气体传感器的工作特性在检测前，材料表面原已吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃范围内。为使传感器能在这样高的温度范围稳定工作，具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是SnO2和ZnO。遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可燃性)气体，材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大。1)气敏特性162)温湿度特性

SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。3)初期恢复特性及初期稳定特性经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放7天到15天后的初期恢复时间一般约在2～5min之内。当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高出正常值20％左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性亦称作初期稳定特性。17体电阻控制型气敏传感器1)Fe2O3系列

Fe2O3系列现有α-Fe2O3和γ-Fe2O3。主要检测液化石油气、煤气和天然气。α-Fe2O3对水蒸气和乙醇不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。2)氧气传感器

Nb2O5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳燃烧状态，以达节能目的。18气敏元件外形

酒精传感器

其他可燃性气体传感器19酒精传感器的选择性20一氧化碳传感器21NH3传感器甲烷传感器223、气敏传感器的应用图防止酒后开车控制器原理图23图中QM-J1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1为低电平，U3为高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火起动发动机。

若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1为高电平，U3为为低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法起动发动机。

若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触电K1-1断开，仍然无法起动发动机。常闭触电K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。24家用有毒气体探测报警器

一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气中达到一定浓度时，将危及人的健康与安全。本电路线路简单，但具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。图有毒气体探测报警电路25当空气中有毒气体浓度下降至使A、K两点间恢复高阻时，K点电位低于1.4V，U850截止，报警解除。上图所示电路为探测报警电路。用QM--N10气敏传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件。和其他气敏传感器一样，QM--N10也有一个加热丝和一对探测电极，它是用半导体N型材料制成的。当空气不含有毒气体时，A、K两点间的电阻很大，流过RP的电流很小，K点为低电位，达林顿管U850不导通；当空气中含有还原性气体时(如上述有毒气体)，A、K两点间的电阻迅速下降，通过RP的电流增大，K点电位升高，向C2充电直至达到U850导通电位(约1.4V)时，U850导通，驱动发声集成片KD9561发声。26二、湿敏传感器绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。

相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。1、湿度的相关概念27陶瓷湿敏传感器金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响应速度快；可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作；工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。主要缺点是：材料固有电阻大，高温性能不够稳定，难以集成化等。一般金属半导体氧化物陶瓷，如MgCr2O4-TiO2等，具有感湿负特性，湿度增大，电阻减小。过渡金属氧化物半导体陶瓷，如Fe3O4等，具有感湿正特性。

28几种湿敏传感器的结构及特性图

MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构1—康塔尔加热丝2—底座3—杜美丝引线4—引线环电极5—湿敏陶瓷6—RuO2电极用P型半导体MgCr２O4及N型半导体TiO２粉粒为原料,配比混合，烧结成复合型半导体陶瓷。当水分子吸附在表面时，其表面电阻明显下降。29在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金属电极模，焊接铂铑引线，封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。这种传感器不须用加热器，只需0.5mW的微小功率即可使用。已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、环境保护、家用电器等许多领域。图

ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器结构1为网眼过滤器，2为塑料外壳，3为陶瓷元件，4为多孔电极，5为元件支架，6为电极引线，7为玻璃固定部分，8为密封，9为树脂密封，10为端子。30MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器主要特性与性能（1）电阻一湿度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%RHR/Ω31

（2）电阻—温度特性是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。

20406080100103104105106107108相对湿度/%RH20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性32MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH

（3）响应时间

响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。33制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：高温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h)；高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V，时间104h)；常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。

（4）稳定性34色敏传感器

半导体色敏传感器的基本原理

半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管，其结构原理及等效电路如下图所示。为了说明色敏传感器的工作原理，有必要了解光电二极管的工作机理。35图半导体色敏传感器结构和等效电路图36

1.光电二极管的工作原理对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射时，若入射光子的能量hυ大于硅的禁带宽度Eg，则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子-空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个ＰＮ结，产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界，其中少数载流子（专指P区中的电子和N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域，这部分少数载流子对电流作出贡献。多数载流子（P区中的空穴或N区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。在势垒区内产生的光生电子和光生空穴，则分别被电场扫向N区和P区，它们对电流也有贡献。37用能带图来表示上述过程，如下图（a）所示。图中Ec表示导带底能量；Ev表示价带顶能量。“。”表示带正电荷的空穴；“·”表示电子。IL表示光电流，它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成，其方向是由N区流向P区，即与无光照射PN结的反向饱和电流方向相同。

38图

光照下的PN结（a）光生电子和空穴的运动，光电流产生；（b）外电路开路，光生电压出现

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当PN结外电路短路时，这个光电流将全部流过短接回路，即从P区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部流到P区电极处，与P区流出的光生空穴复合。因此，短接时外回路中的电流是IL，其方向由P端经外接回路流向N端。这时，PN结中的载流子浓度保持平衡值，势垒高度（图（a））中的q(UD-U)亦无变化。40当PN结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累，从而使P区电位升高，N区电位降低，造成一个光生电动势，如上图（b）所示。该电动势使原PN结的势垒高度下降为q(UD-U)。其中U即光生电动势，它相当于在PN结上加了正向偏压。只不过这是由光照形成，而不是电源馈送的，这称为光生电压，这种现象就是光生伏特效应。41光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果，这种吸收光子的过程称为本征吸收。硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如下图所示。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。

42图

吸收系数随波长的变化43图

量子效率随波长的变化44

对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到，P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如上图所示。图中xj即表示结深。浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度，深的PN结则有利于红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一特性。45

2.半导体色敏传感器工作原理在半导体色敏传感器结构和等效电路图中所表示的P＋-N-P不是晶体管，而是结深不同的两个PN结二极管，浅结的二极管是P＋N结；深结的二极管是PN结。当有入射光照射时，P＋、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。在此，浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红