《测试技术与传感器》课件第11章

11.1气敏传感器

11.2湿敏传感器

11.3色敏传感器

思考题与习题

11.1气敏传感器11.1.1气敏传感器概述气敏传感器是一种把气体中的特定成分和浓度检测出来，并将它转换成电信号的器件。气敏传感器最早用于可燃气体及瓦斯泄漏报警器，用于防灾，保证生产安全，以后逐步推广应用，用于有毒气体的检测、容器或管道的检漏、环境监测(防止公害)、锅炉及汽车的燃烧监测与控制、工业过程的检测与自动控制热水器等方面。目前，工厂和家庭中最常用的几种气敏传感器主要是半导体式和接触燃烧式气敏传感器。半导体式气敏传感器的品种也是很多的，其中用金属氧化物半导体材料制成的数量最多，其特性和用途也各不相同。金属氧化物半导体材料主要有SnO2

系列、ZnO系列及Fe2O3系列，由于它们的添加物质各不相同，所以能检测的气体也不同。半导体气敏传感器适用于检测低浓度的可燃性气体及毒性气体，如CO、H2S、NOx及C2H5OH、CH4、C4H10等碳氢气体。其测量范围为百万分之几到百万分之几千。接触燃烧式气敏传感器主要用于可燃性气体的检测，其测量范围为数百万分之几到爆炸下限浓度(LEL)。半导体气敏传感器的基本工作电路如图11-1所示。负载电阻RL串联在传感器中，其两端加工作电压，加热丝f两端加上加热电压Uf。在洁净空气中，传感器的电阻较大，在负载电阻上的输出电压较小；当遇到待测气体时，传感器的电阻变得较小(N型半导体型气敏传感器检测还原性气体)，则RL上的输出电压变大。气敏传感器主要用于报警器，当某气体超过规定浓度时，报警器会发出警报。图11-1半导体气敏传感器的基本工作电路11.1.2常用气敏元件简介对于某些危害健康，引起窒息、中毒或容易燃烧爆炸的气体，应注意其含量为何值时达到危险程度，有的时候并不一定要求测出其含量的具体数值。在这种情况下，就需要一种气敏元件，它可以及时提供报警。一般来说，半导体气敏元件对气体的选择性比较差，并不适合精确地测定气体成分，这种元件一般只能够检查某种气体存在与否，却不一定能够精确地分辨出是哪一种气体。尽管如此，这类元件在环境保护和安全监督中仍然有极其重要的作用。为了说明其用途，下面代表性地介绍几种半导体气敏元件。

1.氧化锌元件氧化锌元件是比较常用的一种气敏元件。根据所用的催化剂的不同，可以推测环境空气中大体含有哪些气体。如N型半导体氧化锌与少量的三氧化二铬混合后，当有催化剂铂存在时，其元件的阻值与环境气体中的乙烷、丙烷、异丁烷的含量有关，含量越高，阻值越小；如果把催化剂换成钯，则对氢、一氧化碳、甲烷很敏感，也就是说这些气体的含量越高，阻值越小；如果这种元件的阻值不变，则表明空气纯净。若将元件在纯净空气中的阻值用R0

表示，则在有上述气体的环境中的阻值用Rg表示，以气体的浓度为横坐标，以阻值比Rg/R0为纵坐标，气体浓度与元件阻值比之间的关系曲线如图11-2所示。图11-2气体浓度与氧化锌元件阻值比之间的关系曲线

2.以三氧化二铁为主的元件三氧化二铁也是N型半导体材料，它又分为两种，即α三氧化二铁和γ三氧化二铁。前者用来检测液化石油气；后者用来检测乙烷、丙烷、丁烷、氢气和以甲烷为主的天然气，还可以检测乙醇气体。以三氧化二铁为主要材料制做的敏感元件其阻值也是随着气体中被测气体量的提高而减小。以气体浓度为横坐标，以元件阻值为纵坐标，可绘出特性曲线，如图11-3所示。在实际中也可以使用氧化锡-氧化钍气敏元件。在氧化锡中加入少量的氧化钍可制成对一氧化碳特别敏感的元件，这种元件在200℃左右时对一氧化碳最敏感。它的一个特点是对一氧化碳的灵敏度几乎不受其它气体的影响，也就是说，对一氧化碳有独特的选择性。但是使用时，必须将元件加热，而且必须维持在200℃左右。其它的气敏元件通常也要加热，但是并不像这种元件那样严格。另外，该元件遇到一氧化碳就会使输出振荡电路振荡起来，气体的浓度越高，振荡的频率越低，几乎成反比。其振幅随着浓度的增大而增大。图11-3以三氧化二铁为主的元件阻值与气体浓度之间的关系曲线另外，五氧化二钒元件在加入少量的银之后对于一氧化氮很敏感，而对其它的气体几乎没有反应。同时，这种元件也需要加热，温度需要维持在300℃。11.1.3气敏传感器的应用半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。按用途可将其分为气体泄露报警、自动控制、自动测试等几种类型。表11-1列出了半导体气敏传感器的检测对象及应用场合。11.2湿敏传感器11.2.1湿敏传感器概述湿度是指大气中水蒸气的含量，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的温度和压力下，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。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。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。湿度检测较之其它物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气的含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料受到不同程度的腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水与湿敏元件直接接触来完成，因此湿敏元件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏元件有下列要求: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元件的发展方向。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。11.2.2湿敏元件的分类湿敏元件是指对环境湿度具有响应或能将其转换成相应可测信号的元件。湿敏传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。湿敏传感器种类很多。按输出量可分为电阻型、电容型和频率型等；按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露型等；按材料可分为电解质式、陶瓷式、有机高分子式和半导体式等。

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、感湿层及电极组成，如图11-4所示。图11-4湿敏电阻结构示意图氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，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，其溶液中离子的导电能力与溶液浓度及离子数目成正比。当溶液置于一定的温湿场中时，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使溶液中导电的离子数目增加，因此，其溶液电阻率降低。反之，当环境相对湿度变低时，则溶液中导电的离子数减少，其电阻率增加，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的相对湿度-电阻特性曲线如图11-5所示。图11-5氯化锂湿敏元件的相对湿度-电阻特性曲线由图可知，在50%~80%的相对湿度范围内，电阻与湿度的变化呈线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂(LiCl)含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为(10%~20%)RH、(20%~40%)RH、(40%~70%)RH、(70%~90%)RH和(80%~99%)RH的五种器件配合使用，就可自动地转换，完成整个湿度范围的湿度测量。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速的影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下的测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。

2.半导体陶瓷湿敏传感器陶瓷湿敏传感器的感湿机理目前尚无定论。国内外学者主要提出了质子型和电子型两类导电机理，但这两种机理有时并不能独立地解释一些传感器的感湿特性，在此不再深入探究。只要知道这类传感器是利用其表面多孔性吸湿进行导电，从而改变元件的阻值就行了。这种湿敏元件的阻值随着外界湿度的变化而变化的特性便是用来制造湿敏传感器的依据。陶瓷湿敏传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2、ZnO-Cr2O3、ZrO2厚膜型、Al2O3薄膜型、TiO2-V2O2

薄膜型等。现以MgCr2O4-TiO2为例，说明其结构和工作原理。

MgCr2O4-TiO2湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，其结构如图11-6所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金属电极。金属电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣环境对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。

MgCr2O4-TiO2为P型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好。图11-6MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器的结构

MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器的相对湿度与电阻值之间的关系如图11-7所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减小，又随周围环境温度的变化而有所变化。图11-7MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器相对湿度与电阻值之间的关系曲线

3.有机高分子湿敏传感器有机高分子湿敏传感器常见的有高分子电阻式湿敏传感器、高分子电容式湿敏传感器和结露传感器等。

1)高分子电阻式湿敏传感器高分子电阻式湿敏传感器的工件原理是水可以吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿的环境下，因吸附量少，不能产生电离子，所以电阻值较高，当相对湿度增加时，吸附量也增加，大量的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子的作用，从而使高分子湿敏传感器的电阻值下降。利用这种原理制成的传感器称为高分子电阻式湿敏传感器。

2)高分子电容式湿敏传感器高分子电容式湿敏传感器是在绝缘衬底上制作一对平板金属电极，然后在上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜做电介质，在表层以镀膜的方法制作多孔浮置电极形成串联电容。这种传感器的原理是高分子材料吸水后，元件的介电常数随环境的相对湿度的改变而变化，引起电容的变化，元件的介电常数是水与高分子材料的两种介电常数的总和。当水以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数远小于水的介电常数，因此介质中水的成分对总介电常数的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能。

3)结露传感器结露传感器利用了掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后的膨胀现象。在高湿条件下，高分子材料的膨胀使其中所含碳粉的间距发生变化，从而产生电阻突变。利用这种现象可制成具有开关特性的湿敏传感器。11.3色敏传感器半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它是基于半导体的内光电效应，将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但是不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目，而半导体色敏器件则可直接用来测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。11.3.1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，故又称为双结光电二极管，其结构原理及等效电路如图11-8所示。为了说明色敏传感器的工作原理，有必要对光电二极管的工作原理做一回顾。图11-8半导体色敏传感器的结构原理和等效电路

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，当受光照射时，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，而产生一个电子-空穴对。这些由光子激发而产生的电子-空穴对统称为光生载流子。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(P区中的电子或N区中的空穴)就受势垒区强电场的吸引而被拉向背面区域，这部分少数载流子将对电流做出贡献。多数载流子(N区中的电子或P区中的空穴)则受势垒区电场的排斥而留在势垒的边缘。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。用能带图来表示上述过程如图11-9(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，即与无光照时PN结的反向饱和电流方向相同。图11-9光照下的PN结当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，如图11-9(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，只不过这是光照形成的，而不是用电源馈送的。这个电压称为光生电压，这种效应就是光生伏特效应。我们知道，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了导带。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图11-10所示。图中实线和虚线分别表示不同开尔文温度下的响应曲线。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，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。图11-10硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线图11-11量子效率随波长变化的曲线对于光电器件而言，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，如图11-11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。

2.半导体色敏传感器的工作原理图11-8中所示的P+NP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NP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，经很短距离已基本吸收完毕。因此，浅结的那只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外光的灵敏度高。这就是说，在半导体中，不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定，即测定在不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1。ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大。ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。因而两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。图11-12示出了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中VD1代表浅结二极管，VD2代表深结二极管。

图11-12硅色敏管中VD1和VD2的光谱响应曲线11.3.2半导体色敏传感器的基本特性

1.光谱特性光谱特性表示半导体色敏器件所能检测的波长范围。图11-13(a)给出了国产CS-1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是400