传感器原理及应用-第9章

物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：王殿生教授物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第九章作业第二版教材168页：练习题：9-1，9-3，9-4第三版教材165页：练习题：9-1，9-3，9-4物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》半导体特性被测非电量电量测量电路U、I第九章半导体传感器半导体传感器的定义以半导体材料为敏感元件，通过半导体材料电特性的物性变化将被测量变化转换为电量变化的传感器。半导体传感器的感测量浓度、湿度、成分、波长等。半导体传感器的种类根据检测对象：气敏、湿敏、色敏等传感器。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第九章半导体传感器§9.1气敏传感器§9.2湿敏传感§9.3色敏传感器§9.4半导体传感器应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》气敏传感器：通过气-电转换来检测气体类别、浓度和成分的传感器。按构成气敏传感器材料可分为：半导体和非半导体两大类。目前半导体气敏传感器实际使用最多。半导体气敏传感器:利用待测气体与半导体表面接触时产生的电导率等物理性质变化来检测气体。一、气敏传感器的定义和种类§9.1气敏传感器半导体气敏传感器分类:按半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部可分为：表面控制型和体控制型。表面控制型：半导体表面吸附气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变。体控制型：半导体与气体的反应，半导体内部组成发生变化，导致电导率等参量变化。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》半导体气敏传感器分类:按照半导体变化的物理特性又可分为：电阻型和非电阻型。一、气敏传感器的定义和种类§9.1气敏传感器电阻型：通过半导体敏感材料接触气体时阻值变化来检测气体的成分或浓度。非电阻型：通过半导体气敏元件的其它参数变化来检测被测气体，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器电阻型半导体气敏传感器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）。1、工作机理（1）氧化型气体：半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子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。氧气等具有负离子吸附倾向的气体称为氧化型或电子接收性气体。（2）还原型气体：半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向器件释放出电子，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，称为还原型气体或电子供给性气体。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器当氧化型气体吸附到N型、还原型气体吸附到P型半导体上时，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、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。1、工作机理N型半导体吸附气体时器件阻值变化半导体气敏时间(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。气体浓度发生变化，阻值也变化。据此，可从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（1）烧结型气敏器件氧化物半导体材料为基体，铂电极和加热丝埋入材料中，用加热、加压的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1μm左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器气敏器件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。2、基本结构烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（2）薄膜型气敏器件采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成厚度约100nm氧化物半导体薄膜，制作方法简单。半导体薄膜的气敏特性最好，但半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器2、基本结构这种元件机械强度高，离散度小，适合批量生产。（3）厚膜型气敏器件氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成可印刷的厚膜胶，厚膜胶再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器电阻型半导体气敏器件全部附有加热器。加热器作用：烧掉附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃左右。2、基本结构加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏器件。（1）直热式气敏器件加热丝、测量丝直接埋入氧化物半导体材料粉末中烧结而成。工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可在高电压回路下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（2）旁热式气敏器件加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上氧化物半导体材料。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器2、基本结构旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》气敏传感器暴露在各种成分的气体中使用，会使其性能变差。原因：①工作条件恶劣，检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等；②气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面。要求气敏器件：长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器3、特性参数（2）气敏器件的灵敏度灵敏度：表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。即气体敏感元件的电参量（电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。三种表示方法：（1）气敏器件的电阻值固有电阻值：电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值Ra。一般固有电阻值在103～105Ω范围。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（2）气敏器件的灵敏度①电阻比灵敏度气敏器件在洁净空气中电阻值Ra，在规定浓度的被测气体中电阻值Rg，则电阻比灵敏度为二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器3、特性参数③输出电压比灵敏度气敏器件在洁净空气中工作时负载电阻上的电压输出Va；在规定浓度被测气体中工作时负载电阻的电压输出Vg，则输出电压比灵敏度为气体分离度为②气体分离度气敏器件在浓度为C1的被测气体中电阻值RC1，在浓度为C2的被测气体中电阻值RＣ2，通常C1＞C2。gaRRK21CCRRgaVVVK物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（3）气敏器件的分辨率分辨率：气敏器件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器3、特性参数（4）气敏器件的响应时间表征在工作温度下气敏器件对被测气体的响应速度。一般从气敏器件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。气敏器件在洁净空气中工作和在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的输出电压Va和Vg；在i种气体浓度为规定值中工作时负载电阻上的输出电压Vgi。agiaggigVVVVVVS物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（5）气敏器件的加热电阻和加热功率气敏器件一般工作在200℃以上高温。加热电阻RH：为气敏器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）。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。加热功率PＨ：气敏器件正常工作所需的加热电路功率。一般在（0.5～2.0）W范围。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器3、特性参数（6）气敏器件的恢复时间恢复时间：表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度。一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。纳米结构气敏器件物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（7）初期稳定时间长期在非工作状态下存放的气敏器件，因表面吸附空气中的水分或者其他气体，导致其表面状态的变化，在加上电负荷后，随着元件温度的升高，发生解吸现象。因此，使气敏器件恢复正常工作状态，需要一定的时间，称为气敏器件的初期稳定时间。二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器3、特性参数一般电阻型气敏元件，在刚通电的瞬间电阻值下降，然后再上升，最后达到稳定。由开始通电直到气敏器件阻值到达稳定所需时间，称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长，初期稳定时间也越长。在一般条件下，气敏元件存放两周以后，初期稳定时间即可达最大值。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》二、电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器4、基本电路物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。利用MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压的变化等物性而制成的。这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可使器件对某些气体特别敏感。三、非电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器1、MOS二极管气敏器件MOS二极管气敏器件结构：在P型半导体硅片上生成一层厚度为50~100nm的SiO2层，上面再蒸镀一层钯金属薄膜作为栅电极。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》三、非电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器1、MOS二极管气敏器件MOS二极管C~U特性：SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数，因此总电容C也是栅偏压的函数。函数关系称为该类MOS二极管的C~U特性。钯（Pd）对H2特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS管的C~U特性向负偏压方向平移。根据这一特性可测定H2的浓度。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》三、非电阻型半导体气敏传感器§9.1气敏传感器2、MOS场效应晶体管气敏器件UT的大小与金属和半导体之间的功函数有关。当H2吸附在Pd栅极上时会引起Pd的功函数降低。Pd-MOSFET气敏器件就利用这一特性来检测H2浓度。MOSFET的伏~安特性：当钯栅极（G）、源极（S）之间加正向偏压UGS，且UGSUT（阈值电压）时，栅极氧化层下面的硅从P型变为N型，形成导电通道，即为N型沟道。MOSFET进入工作状态。在源漏极之间加电压UDS，则有电流IDS流通。IDS随UDS和UGS的大小变化规律即MOSFET的伏~安特性。当UGSUT时，MOSFET的沟道未形成，无漏源电流。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第九章半导体传感器§9.1气敏传感器§9.2湿敏传感§9.3色敏传感器§9.4半导体传感器应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》TheNobelPrizeinPhysics2011Sau