半导体式传感器

第七章半导体式传感器第一节气敏传感器第二节湿敏传感器第三节磁敏传感器第四节色敏传感器第一节气敏传感器所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。一、气敏半导体材料的导电机理这里我们以半导瓷材料SnO2为例说明气敏半导材料的导电机理。SnO2是N型半导体，其导电机理可以用吸附效应来解释。图7-1（a）为烧结体N型半导瓷的模型。它是多晶体，晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电阻较低。图中分别以空白部分和黑点部分示意表示。导电通路的等效电路如图7-1（b）所示。图中Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs为晶粒的等效表面电阻。其中Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响。下一页返回第一节气敏传感器Rs和Rn则受吸附气体所控制，且。由于Rs被Rn所短路。由此可见，半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。这类半导体气敏电阻工作时都需加热。器件在加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散。其间一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附处。此时如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附；如果材料功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。Q2和NOx（氮类氧化物）倾向于负离子吸附，称为氧化物型氧化型气体。H2、CO碳氢化合物和酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体。氧化型气体吸附到N型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。上一页下一页返回第一节气敏传感器二、电阻型气敏器件电阻型气敏器件在目前使用的比较广泛。按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种，下面分别予以介绍。1、烧结型烧结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材料（SnO2、InO）及掺杂剂（Pt、Pb）等以水或粘合剂调和，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，用传统的制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，最后将加热丝和测量电极焊在座上，加特制外壳构成器件。这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构，如图7-2和图7-3所示。上一页下一页返回第一节气敏传感器内热式器件管芯体积一般都很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板，该结构制造工艺简单。其缺点是：①热容量小，易受环境气流的影响；②测量电路和加热电路之间相互影响；③加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与材料接触不良的现象。旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器件的缺点，使器件稳定性有明显提高。上一页下一页返回第一节气敏传感器2、薄膜型薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片（玻璃石英式陶瓷）；焊接电极，之后有采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测得SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。薄膜型器件外形结构如图7-4所示。这种器件具有较高的机械强度，而且具有互换性好，产量高，成本低等优点。3、厚膜型为解决器件一致性问题，1977年发展了厚膜型器件。它是有SnO2和ZnO等材料与3%~15%（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极的Al2O3基片上，以400~800℃烧结1h制成。其结构如图7-5所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。上一页下一页返回第一节气敏传感器各种可燃性气体的浓度与SnO2半导体瓷传感器的电阻率变化的关系如图7-6所示。对各种气体的相对灵敏度，可以通过不同的烧结条件和添加增感剂在某种程度上进行调整。一般说，烧结型S2气敏器件在低浓度下灵敏度高，而高浓度下趋于稳定值。这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此，这种器件常用来检查可燃性气体的泄漏，定限报警等。目前，检测液化石油气、管道空气等气体泄漏传感器已付诸实际应用。S2气敏器件易受环境温度和湿度的影响。图7-7给出了温湿度综合特性曲线。由于环境温湿度对气敏器件的特性有影响，在使用时要加温度补偿，或选用温湿度性能好的气敏器件。上一页下一页返回第一节气敏传感器三、非电阻型气敏器件1、二极管气敏传感器如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有影响的话，则其整流特性就会发生变化。在掺钴的硫化镉上，薄薄地蒸发一层钯薄膜，就形成了钯硫镉二极管气敏传感器，这种传感器可用来检测氢气。氢气对这种二极管整流特性的影响如下：在氢气浓度急剧增高的同时，正向偏置条件下的电流也急剧增大。所以在一定的偏置下，通过测量电流值就能知道氢气的浓度。电流值之所以增大，是因为吸附在钯表面的氧气由于氢气浓度的增高而解析，从而使肖特基势垒降低的缘故。上一页下一页返回第一节气敏传感器2、MOS二极管气敏器件金属——氧化物——半导体（MOS）二极管的结构和等效电路如图7-8所示。它是利用MOS二极管的电容——电压特性的变化制成的MOS半导体气体气敏器件。在P型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生长一层厚度为50~100nm左右的SO2层，然后再在其上蒸发一层钯金属薄膜，作为栅电极。SiO2层电容Cax是固定不变的，Si-SiO2界面电容Cx是外加电压的函数。所以总电容C是栅极偏压的函数。其函数关系称为该MOS管的C-U（电容-电压）特性。由于钯在吸附H2以后，会使钯的功函数降低，这将引起MOS管的C-U特性向负偏压方向平移，如图7-9所示。由此可测定H2的浓度。上一页下一页返回第一节气敏传感器3、Pd-MOSFET气敏器件这种器件是利用MOS场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压的变化做成的半导体气敏器件。Pd-MOSFET与普通MOSFET的主要区别在于用Pd薄膜取代Al膜作为栅极。因为钯对H2吸附能力强，而H2在钯上的吸附将导致钯的功函数降低。阈电压UT的大小与金属和半导体之间的功函数差有关。Pd-MOSFET气敏器件正是利用H2在钯栅上吸队后引起阈电压UT下降这一特性来检测H2浓度的。由于目前大多数气敏器件的选择性并不理想，而钯膜只对H2敏感，所以Pd-MOSFET对氢有独特的高选择性。由于这类器件的性能尚不太稳定，作为定量检测氢气浓度还存在一些问题。上一页返回第二节湿敏传感器一、绝对湿度与相对湿度所谓湿度，是指大气中含的水蒸气量。它有两种量常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用“kg/m3”表示。绝对湿度也称水气浓度或水气密度。绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水气密度为ρv，根据理想气体状态方程，可以得出其关系式为单位 （7-1）式中：m——水气的摩尔质量，单位mol；

R——摩尔气体普适常数；

T——绝对温度，单位K。下一页返回第二节湿敏传感器在实际生活中，许多现象与湿度有关，如水分蒸发的快慢。然而除了与空气中水气分压有关外，更主要的是和水气分压与饱和蒸气压的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用%RH表示。这是一个无量纲的值。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。人们早就发现了人的头发随大气湿度变化而伸长或缩短的现象，因而制成了毛发湿度计。这类早期的湿度计的响应速度、灵敏度、准确性等指标都不高。50年代以后，人们研制出了电阻湿度计，近年来又制出了半导体湿度器件。上一页下一页返回2025/1/613第八章班级气氛的经营与管理知道最好的一切，且将之发挥至极致，才是成功的生活。未来我们会创造一个更经济、更有效率的世界，但是让人担心的是，人们却没有现在过得幸福。2025/1/614[学习与实践目标]1.掌握班级气氛的涵义和班级气氛的理论2.编制班级气氛的测量量表和测量工具3.掌握师生冲突问题的诊断与解决方法4.开展教室环境布置与设计的活动2025/1/615班级管理原理之八：多米诺效应2025/1/616第一节班级气氛的理论班级气氛的营造对班级管理至关重要，这就要求班级管理能够营造健康向上、丰富活跃的班级文化环境，包括营造班级文化的物质环境；营造班级社会化环境；营造良好的人际关系，把学生作为交往的主体，设计内容充实、频率高的交往结构，建立充满信任的同学关系；营造正确的舆论和班风；营造健康的心理环境。2025/1/617气氛之于班级，犹品性之于个人。一个班级组织就像人一样也有其个性，“这种个性可能是呆板的，也可能是灵活的；可能是冷漠的，也可能是热心的；可能是积极主动的，也可能是消极保守的”。班级气氛（classroomclimate）是班级成员对班级组织的共享感受和印象，是有异于其它组织的并影响组织成员行为的特质，是组织内部整体环境的品质，是一种可以测量和评估的工作环境特征，常用开放、活跃、温暖、随和、非正式、非个人、敌意、严格、封闭等来描述班级组织气氛。2025/1/618一、班级社会体系理论社会系统论者认为，组织是一群人彼此分工合作，为达成某种目的而形成的一种有机的结构，组织各部分是有机的、系统的、稳定的关系结构。班级社会体系理论（classroomasasocialsystem）是欧美关于班级组织理论的一个主要学派，集中了一批社会心理学的研究成果，主要代表人物是帕森斯（Parsons)，他在功能主义理论的基础上，提出了班级社会体系的理论。1、帕森斯的班级社会体系结构与功能理论2、艾雪黎等人的班级教学管理模式理论3、盖哲尔和赛伦的班级社会行为理论2025/1/619二、班级环境压力理论班级环境压力理论（environmentalpresstheory）表明：组织的气氛与组织环境或情境具有密切的关系，班级气氛在很大程度上受到环境或情境的影响。1.场论。场论(fieldtheory)是美国心理学家勒温（Lewin，1951)率先提出的理论。2.团体动力学理论。团体动力学理论（groupdynamictheory），又称群体动力学，是20世纪40年代由社会心理学家勒温在场论的基础上提出的。3.需求－压力论。需求－压力论(need-press)是在勒温的“场论”基础上，用来说明个人行为是个人与环境的互动结果的一种理论。4.环境压力论。环境压力论（environmentalpress）与“需求-压力论”存在密切的关系。人格心理学家默里（H.A.Murray）是以环境压力的概念来研究个体在环境中的行为的先驱。2025/1/620三、班集体理论1、班集体理论的形成班集体理论(classcollectivenesstheory)源于苏联的教育理论家的观点，是苏联教育组织社会学的一个分支，是苏联教育社会学微观班级组织研究中的重要成果。班集体理论是建立在集体主义意识形态基础之上的，认为整体的利益高于个人利益，把孤立的个体与团体的幸福对立起来，不可能有个体自己的真正幸福，个体是团体的一部分，个体与团体息息相关。只有完善的集体，才能造就完善的人。苏联教育家马卡连柯提出并实施了“在集体中、通过集体、为了集体”的班集体管理思想，认为集体在满足学生需要方面具有核心的作用，有助于满足学生的个人和学习需要，也有助于教师建构安全、有序的学习环境。2025/1/6212、集体与群体的区别著名社会心理学家彼得·罗夫斯基对集体与群体作了比较分析。他指出，集体是群体发展的高级形式，并非任何群体都能称之为集体，只有符合一定的要求，才能成为集体。班集体是班级群体发展到高级阶段的表现形式。班集体是班主任、班级任课教师和全班学生按照一定的教育目的和任务，按照一定的教育计划和要求，齐心一致，共同努力建设才能逐步形成的。2025/1/6223、班集体的特点（1）高度的社会倾向性。（2）高度的组织性。（3）高度的社会主体性。2025/1/623第二节班级气氛的营造班级气氛的营造对学生的影响是深远的，一个好的班级气氛会使学生较容易快乐、有效地学习。反之，不好的班级气氛，会使学生较容易感受到压力，且学习动机往往也较低落，同时也构成了学生在人格特质发展上的障碍。为学生营造良好的班级气氛，提供给学生优质的学习和生活环境，让学生快乐、健康地在班级中成长是班级管理者的义务和责任。2025/1/624一、班级气氛的涵义与作用1、组织气氛组织气氛“如同个人特征的独特结构形成的个性一样，生态、环境、社会系统各文化等因素的持续特性的独特结构形成了一种气氛。”2、班级气氛班级气氛，又称班级社会风气，它是一个描述学生对班级环境感知的较宽泛的术语，有许多不同的界定。“班级气氛”是由班级教师和学生所组成的小型社会，各个成员对所在的班级所形成的共同的、独特的感受和看法。2025/1/6252025/1/6263、班级气氛的作用班级气氛是一种情绪气氛，为班级成员所共有的看法与心理感受。学生长年累月地学习、生活在一个班级之中，班级成为了他们在家庭以外最重要的成长环境，不同的班级气氛对他们的身心健康和人格发展会产生不同的影响。支持性的班级环境建立在信赖和相互支持之上，而防卫性班级环境则出现于不信任和相互攻击、防卫之时。班级气氛与学生人格之间存在显著的相关性。2025/1/627二、班级气氛的影响因素1、班级团体的性质班级团体的性质就像一只无形的手一样，虽然看不到它的存在，但是它却深深的影响每一个人。2、家庭因素家庭的组成、经济、父母的期望、及父母的管教方式都会间接影响一个班级的气氛。3、学校环境学校环境影响班级气氛的形成，其中包括同学间相处融洽与否、教师是否对某一个班级存有成见、任课教师是否为学生所讨厌，等等，种种学校因素皆会影响班级的气氛。4、社会风气人们对民主意识有了更深的认识，学生从小也被灌输民主的观念。2025/1/628三、班级气氛的形态类型与测量工具1、班级气氛的文化形态类型根据组织文化在外部集中与内部集中、整合作用与差异作用、紧张与自由、稳定与控制8个变量上的不同表现，班级组织文化的形态可分为四类：科层制文化；市场性文化；家庭式文化；特别工作组式文化。2、班级气氛的测量工具班级组织气氛既是组织内部的特征表现，也是一种主体知觉，是可以加以测量和描述的。自从20世纪60年代以来，班级管理研究就一直在开发测量和描述班级组织气氛的量表工具。2025/1/629四、班级气氛的营造方法1、确立学习目标，建立班级常规2、改善班级环境的形态与要素3、协调班级的交往与互动4、施行合作学习与契约学习5、端正班级气氛的管理取向2025/1/630五、班级特色气氛的有效发展策略1、统整化以某种主题内容为核心；将班级内各种活动予以统整，使班级各方面的成效均凝聚在此一主题内容而有超越水平的表现。2、个别化举凡班级内的各种工作、活动或课业学习，均开放于每位学生,依据个人的潜能与特质，而做出完全不同的贡献与表现。3、合作性学生成员彼此间能以个人的潜能特质与人互补、合作，使每一种工作、活动或学习的进行及成果，均能包容两位以上学生的共同努力与特质特征。4、精致性对于班级内的某种工作、活动或课业学习，学生个人或团体均能竭尽所长所能地找出最有效、最省力的方法，或能使其达到最好的表现。5、创新性学生个人或团体均能竭尽所长所能地做出不同于自己过去或周遭他人的表现或成效。2025/1/631第三节师生关系的管理与改进师生关系是反映班级气氛的重要方面，可以说是班级气氛的“无形网络”，班级气氛的改进首先需要建立良好的师生关系。师生关系的质量决定了班级学习的状况，成功的教学依赖于一种真诚的理解和信任的师生关系，改进师生关系可以促进师生之间的交往互动，让班级气氛变得和谐融洽。2025/1/632一、师生关系的内涵师生关系是一个由多层面关系构成的关系体系。1、师生关系的概念结构师生之间实际上存在三重关系，即社会关系，教与学的工作关系，以及自然的人际关系。师生关系体系由教学关系、心理关系、个人关系和道德关系四个层面的关系构成。师生关系由教学关系、伦理关系、情感关系、法律关系、人际关系五个层面构成。师生关系应该由师生间教与学的工作关系、师生间的社会伦理关系和师生间的情感关系所构成。2025/1/6332025/1/6342、师生关系的内容结构（1）以教学内容为媒介的“教”与“学”的工作关系。（2）以社会生活、心理交往为基础的人际关系。（3）以社会道德规范为基础的伦理关系。（4）以法律规范为基础的法律关系。2025/1/6353、师生关系的本质师生关系具有理解性、形成性和反思性的特征。理解性是指师生双方对对方及其语言符号理解后才会达到互动目的；形成性是指师生双方在互动中完成自我知识建构、成就建构和人格建构；反思性是指在互动中伴随着不断的自我肯定和自我否定。2025/1/636二、师生关系的影响因素1、外部因素从外部因素来看，社会大环境、传统观念等都会影响师生间的关系。2、内部因素从内部因素来看，影响师生关系的主要因素有“教师期望、教学方式和教师素质”等。2025/1/637三、教师的特质与师生关系学生喜欢的教师特质有：温柔、亲切、就事论事、不骂人、耐心、爱心、公平、上课认真、关心同学、有学问、能一起共同参与的教师。学生不喜欢的教师特质有：上课讲无关的话题、乱扯、臭屁、随便骂人、啰嗦、偏见、偏心、不公平、自私、怪里怪气的教师。1.专制型教师与师生关系2.民主型教师与师生关系3.放任型教师与师生关系2025/1/638四、良好师生关系的管理原则1.尊重与接纳原则2.鼓励与赞扬原则3.辅导与支持原则2025/1/639五、良好师生关系的管理方法良好师生关系的管理：⑴要靠平常相处下工夫；⑵倾听学生的心声，给学生说话的机会；⑶避免用管教的态度，多站在学生角度想事情；⑷和学生一起行动；⑸多和家长沟通，必要时寻求协助；⑹班级常规的原则要坚持。良好师生关系的管理方法包括：1.认识学生、了解学生；2.亲近学生，鼓励学生3.尊重差异，个别指导；4.开展班级活动，提高实践能力。2025/1/640六、师生冲突问题的诊断与解决师生冲突是不可避免的。学生会把教室以外与朋友间所发生的不满和焦虑不安的情绪带入教室中，不管教师如何细心去经营班级师生关系，教室中难免不会发生一些恼人的问题。由于家庭机能失调，常会造成学生的情绪不安和需求不满，学生在教室内也无法静下心来学习，他们会寻求教师的呵护与关爱。这些问题也会造成师生冲突。2025/1/6412025/1/6421、师生冲突问题的诊断教师想处理好教室内的种种问题，首先必须真正掌握班级问题的根源。下面三种情境常常会引起不同的师生冲突和班级管理问题。第一种情境是：儿童书写猥亵的语言，列举百科全书中的例句妨碍上课。（第一种情境，因为直接会妨碍到上课的进行，所以是教师的问题。）第二种情境是：儿童的父母之间发生严重争吵，儿童厌恶自己的父亲。（第二种情境中，虽然教师希望学生能够改变对她父亲的感受和态度，但是学生并未妨碍上课，所以不会成为教师班级管理的问题。）第三种情境是：上课时间儿童在教室后面，安静地阅读其它书籍或报纸。（在第三种情境中，难以明确判断出它是属于教师的问题或学生的问题。）2025/1/6432、制止和改变儿童行为的方法制止和改变儿童行为可以采取两种基本的方法。一是表达感受和立场，叙述教师本身想法的方法。以直接、肯定的语气，将学生现在的行为或这些行为如何妨碍上课和此时教师的感受等告诉儿童。也就是教师针对不满意和不高兴的情境，表明自己的感觉，由学生自动改正这类行为。二是解决冲突的方法。2025/1/6443、师生冲突问题的解决步骤⑴问题明确化：⑵提出各种可能的解决方案：⑶评估各种解决的方案：⑷决定阶段：⑸实行解决方案：⑹评估解决的结果：2025/1/645第四节教室环境布置与设计教室环境是形成班级气氛的基础条件，直接影响着学生对班级的感受。教室环境的管理是资源有限、创意无穷的活动，需要让教室成为每一个学生“快乐的家”。教室是学生除了家庭以外生活、学习的重要环境，是师生交往互动的主要场所，教室的环境对学生的情绪、学习效率和学生身心健康有极大的影响，因些，教室的布置意义重大。2025/1/646一、教室环境布置的意义班级气氛的建设不能忽视班级的物理环境和心理环境特点。从物理环境的角度看，教室里太热、太冷、太拥挤或太吵闹，会直接影响教师和学生的感觉、思维和行为。创造舒适的、功能齐全的班级环境是班级管理的重要组成部分。1、教室环境的类别教室环境布置与设计是班级气氛营造的物质基础，是对班级的环境管理，既涉及班级的物理环境建设，也深刻影响着班级师生的心理环境。班级物理环境班级心理环境2025/1/6472、发挥教室环境的教育功能一是安全和庇护的功能，通过提供安全的物理环境，让学生有物理安全和心理安全感；二是社会交往的功能，班级环境可以促进师生之间、学生之间的社会交流与互动；三是象征性的标识功能，每个班级或教室都具有独特的个性特征，班级的布置和设计带有明显的个性化标识，以反映班级的目标和价值观；四是完成教学任务的工具性功能，班级提供了完成教学任务和教学活动所需要的设备和材料，有助于教学任务的顺利完成；五是愉悦心情的审美功能，班级优良的环境具有吸引人的审美价值，“丑陋”的班级环境会让师生感到头痛、乏力、不舒服；而“美丽”的班级环境则会让师生感到心情愉快；六是促进学生成长的功能，班级的主要目的是促进儿童的身心发展，丰富的环境有助于儿童的道德发展、认知发展和心理发展。第二节湿敏传感器二、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。典型的氯化锂湿度传感器有登莫（Dunmore）式和浸渍式两种。登莫式传感器是在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的钯引线做电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。图7-10示出了登莫式传感器的结构。图中A为聚苯乙烯包封的铝管；B为用聚乙烯醋酸覆盖在A上的钯丝。上一页下一页返回第二节湿敏传感器浸渍式传感器是在基本材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。这种方式与图7-10登莫式传感器结构登莫式不同，它部分地避免了高温度下所产生的湿敏膜的误差。由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。它适用于微小空间的湿度检测。氯化锂是典型的离子晶体。其湿敏机理可如下解释：高浓度的氯化锂溶液中，Li和Cl仍以正、负离子形式存在；而溶液中的离子导电能力与溶液的浓度有关。实践证明，溶液的当量电导随着溶液的增加而下降。当溶液置于一定温度的环境中时，若环境的相对湿度高，溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。上一页下一页返回第二节湿敏传感器三、半导瓷湿敏电阻制造半导瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的金属氯化物。图7-11是三种典型的金属氯化物半导瓷的湿敏特性。由于它们的电阻率随湿度的增加而下降，故称为负特性湿敏半导瓷。还有一种材料（如Fe3O4半导瓷）的电阻率随着湿度的增加而增大，称为正特性湿敏半导瓷。为了对正负特性作出解释，下面介绍半导瓷湿敏材料的导电机理。上一页下一页返回第二节湿敏传感器1．半导瓷湿敏材料的导电机理关于半导体湿敏材料的导电机理有多种理论。一般认为，作为湿敏材料的多晶陶瓷（也称半导瓷），由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性，不仅载流子浓度远比晶粒内部小，而且载流子迁移率也要低得多。所以，一般半导瓷的晶粒间界电阻要比体内高得多。因而半导瓷的晶粒间界便成了半导瓷中传导电流的主要障碍。正由于这种高阻效应的存在，使半导瓷具有良好的湿敏特性。水分子中氢原子具有很强的正电场。当水在半导瓷表面附着时，就可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电，相当于表面电势变负。如果该半导瓷是P型的，则由于水分子的吸附使表面电势下降，这类材料就是负特性湿敏半导瓷。它的阻值随着湿度的增加可以下降三至四个数量级。上一页下一页返回第二节湿敏传感器对于N型半导瓷，由于水分子附着同样会使表面电势下降；如果表面电势下降比较多，不仅使表面的电子耗尽，同时将大量的空穴吸引到表面层，以至有可能达到表面层的空穴浓度高于电子浓度的程度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子，它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献。这就说明水分子的附着同样可以使N型半导瓷材料的表面电阻下降。已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属氧化物及其盐类都具有明显的湿敏特性，如ZnO、CuO、Fe2O3、TiO2、V2O5、ZnCr2O4等等。上一页下一页返回第二节湿敏传感器对于阻值随湿度增加而增大的这类正特性湿敏半导瓷，其机理的解释可认为是由于这类材料的结构，电子能量状态与负特性有所不同。当水分子的附着使表面电势变负时，造成表面层电子浓度的下降，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型的程度，此时仍以电子导电为主。于是表面电阻将由于电子浓度的下降而增大，这类半导瓷材料的表面层电阻将随环境湿度的增加而加大。如果对于某一种半导瓷，它的晶粒间界电阻与体内电阻相比并不很大，那么表面层电阻的加大对总电阻将不起多大作用。不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔型的，表面电阻占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总阻值的明显升高。但由于晶体内部低阻支路依然存在，所以总阻值的升高不像负特性材料中的阻值下降那么明显。上一页下一页返回第二节湿敏传感器还有一种涂覆膜型的湿敏元件，它是由金属氧化物粉末或某些金属氧化物烧结体研成的粉末，通过一定方式的调合、喷洒或涂覆在具有叉指电极的陶瓷基片上面制成的。这类感湿元件的阻值随环境湿度变化非常剧烈。这种特性是由其结构所造成的。由于粉粒之间通常是很松散的“准自由”表面，这种表面都非常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间不太紧密的接触更有利于水分子的附着。极性的、离解力极强的水分子在粉粒接触处的附着将使其接触程度强化，并且接触电阻显著降低。因此环境湿度越高，水分子附着越多，接触电阻就越低。由于接触电阻在湿敏元件中是起主导作用的，所以，随着环境湿度的增加，元件的电阻下降。而且，不论是用负特性型还是正特性型的湿敏瓷粉作为原料，只要其结构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境温度的增高而显著下降，例如，烧结型Fe3O4湿敏电阻具有正特性，而瓷粉膜型Fe3O4湿敏电阻具有负特性。上一页下一页返回第二节湿敏传感器2．典型半导瓷湿敏电阻半导瓷湿敏电阻具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据，而且还有响应快、使用湿度范围宽(可在150℃以下使用)等优点，在实用中占有很重要的位置。（1）烧结型湿敏电阻烧结型半导瓷湿敏电阻的结构如图7-12所示。其感湿体4为MgCr2TiO2多孔陶瓷，气孔率达30%~40%。多孔电极3的材料为RuO2，RuO2的热膨胀系数与陶瓷相同，因而有良好的附着力。上一页下一页返回第二节湿敏传感器RuO2通过丝网印刷到陶瓷片的两面，在高湿下烧结形成多孔性的电极，孔的平均尺寸大于1μm。MgCr2TiO2属于甲型半导体，其特点是感湿灵敏度适中，电阻率低，阻值湿度特性好。为改善烧结特性和提高元件的机械强度及抗热骤变特性，在原料中加入30%mol的TiO2。这样在1300℃的空气中可烧结成相当理想的瓷体。器件安装在一种高致密、疏水性的陶瓷片底座6上，为避免底座上测量电极a、b之间因吸湿和沾污而引起漏电，在测量电极a、b的周围设置隔漏环。上一页下一页返回第二节湿敏传感器（2）涂覆膜型Fe3O4湿敏器件除上述烧结型陶瓷外还有一种由金属氧化物微粒经过堆积、粘结而成的材料，它也具有较好的感湿特性。用这种材料制做的湿敏器件，一般称为涂覆膜型或瓷粉型湿敏器件。这种湿敏器件有多种品种，其中比较典型且性能较好的是Fe3O4湿敏器件。Fe3O4湿敏器件采用滑石瓷做基片，在基片上用丝网印刷工艺印制成梳状金电极。将纯将的Fe3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后将其涂覆在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。上一页下一页返回第二节湿敏传感器涂覆膜型Fe3O4湿敏器件的感湿膜，是结构松散的Fe3O4微粒的集合体。它与烧结陶瓷相比，缺少足够的机械强度。Fe3O4微粒之间，依靠分子力和磁力的作用，构成接触型结合。虽然Fe3O4微粒本身的体电阻较小，但微粒间的接触电阻却很大，这就导致Fe3O4感湿膜的整体电阻很高。当水分子透过松散结构的感湿膜而吸附在微粒表面上时，将扩大微粒间的面接触，导致接触电阻的减小；因而这种器件具有负感湿特性。Fe3O4湿敏器件的主要优点是，在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力。在全湿范围内有相当一致的湿敏特性，而且其工艺简单，价格便宜。其主要缺点是响应缓慢，并有明显的湿滞效应。上一页返回第三节磁敏传感器一、磁敏电阻器1．磁阻效应将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为

（7-2）式中：B——磁感应强度；

μ——电子迁移率；

ρ0

——零磁场下的电阻率；

ρB——磁感应强度为时的电阻率。下一页返回第三节磁敏传感器设电阻率的变化为，则电阻率的相对变化率为 （7-3）由上式可知，磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb和InAs等半导体的载流子迁移率都很高，更适合于制作磁敏电阻。2．磁敏电阻的形状磁阻的大小除了与材料有关外，还和磁敏电阻的几何形状有关。常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫科尔比诺圆盘。其磁阻效应叫科尔比诺效应。上一页下一页返回第三节磁敏传感器在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系，可以近似用下式表示 （7-4）式中：——形状效应系数；

L、b分别为磁敏电阻的长度和宽度。各种形状的磁敏电阻器，其磁阻RB与磁感应强度的关系如图7-13所示，图中R0为B=0时的电阻值。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。上一页下一页返回第三节磁敏传感器3．磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，在测量方面还可制成位移检测器、角度检测顺、功率计、安培计等。此外，还可用磁敏电阻制成交流放大器、振荡器等。二、磁敏二极管（SMD）磁敏二极管的结构原理如图7-14所示。在高阻半导体芯片（本征型I）两端。分别制作P、N两个电极，形成P-I-N结。P、N都为重掺杂区，本征区I的长度较长。同时对I区的两侧面进行不同的处理。一个侧面磨成光滑面，另一面打毛。由于粗糙的表面处容易使电子-空穴对复合而消失，我们称之为r(recombination)面，这样就构成了磁敏二极管。上一页下一页返回第三节磁敏传感器现利用图7-14对磁敏二极管的原理作简要说明。如果外加正向偏压，即P区接正，N区接负，那么将会有大量空穴从P区注入到I区，同时也有大量电子从N区注入到I区，如将这样的磁敏二极管置于磁场中，则注入的电子和空穴都要受到洛仑兹力的作用而向一个方向偏转，当磁场方向使电子和空穴向r面偏转时，它们将因复合而消失，因而电流很小；当磁场方向使电子和空穴向光滑面偏转时它们的复合率变小，电流就大。由此可见，高复合面与光滑面的复合率差别愈大，磁敏二极管的灵敏度也就愈高。磁敏二极管在不同的磁场强度和方向下的伏安特性如图7-15所示。上一页下一页返回第三节磁敏传感器利用这些特性曲线就能根据某一偏压正气电流值来确定磁场的大小和方向。磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下特点：（1）灵敏度高。磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。（2）具有正反磁灵敏度。这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管可用作无触点开关。（3）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄。这一点不如霍尔元件。磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁场；可制作箍位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量，还可作无触点开关，无接触电位计等。上一页返回第四节色敏传感器半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它也是基于半导体的内光效应，将光信号变成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，它们检测的都是在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用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。本节将对色敏传感器的测色原理及其基本特性简要介绍。一、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，故又称双结光电二极管。其结构原理及等效电路示于图7-16中。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作一回顾。下一页返回第四节色敏传感器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，若入射光子的能量大于硅的禁带宽度，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P-N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7-17（a）所示。上一页下一页返回第四节色敏传感器图中EC示导带底能量，EV表示价带顶能量。“O”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区流和P区，即与无光照时P-N结的反向饱和电流方向相同。当P-N结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光一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7-17（b）所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为。其中即光生电动势。它相当于在P-N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