传感材料——【功能材料 精】.pdf

第六章传感器与敏感材料 6.1 气敏传感器 6.2 湿敏传感器 化学传感器：能将各种化学物质特性的变化定 性或定量地转化为电信号的传感器 气体浓度 离子浓度 空气湿度 气敏传感器的定义： 是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体种 类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可 获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息 6.1 气敏传感器 6.1.1 气敏传感器的基本概念及分类 气敏传感器的性能要求： 对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等 气敏传感器的主要参数及特性 灵敏度灵敏度：对气体的敏感程度 响应时间响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度 选择性选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力 稳定性稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间 内气敏元件输出特性保持不变的能力 温度特性温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 湿度特性湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性 电源电压特性电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性与互换性时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同 一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 气敏传感器的分类 类型 原理 检测对象 特点 半导体式半导体式 若气体接触到加热的金属 氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等) ，电阻值会增大或减小 还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等 灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例 接触燃烧式 可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大 燃烧气体 输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低 化学反应式 利用化学溶剂与气体反应产生 的电流、颜色、电导率的增加 等 CO、H2、CH4、C2H5OH 、 SO2等 气体选择性好，但不能重 复使用 光干涉式 利用与空气的折射率不同而产 生的干涉现象 与空气折射率不同的 气体，如CO2等 寿命长，但选择性差 热传导式 根据热传导率差而放热的发热 元件的温度降低进行检测 与空气热传导率不同 的气体，如H2等 构造简单，但灵敏度低， 选择性差 红外线吸收 散射式 由于红外线照射气体分子谐振 而吸收或散射量进行检测 CO、CO2等 能定性测量，但装置大， 价格高 6.1.2 半导体式气敏传感器的工作原理 半导体式气敏传感器： 利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化的原 理来检测特定气体的成分或者浓度 半导体式气敏传感器可分为： 电阻式 非电阻式 半导体式气敏传感器 电阻式 烧结型 薄膜型 厚膜型 二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 PdMOSFET气敏传感器 非电阻式 图6.1 半导体式气敏传感器的分类 （1）电阻式气敏传感器 基本原理 是利用气体在半导体表面的氧化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） 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器件夺得电子而 变成负离子吸附负离子吸附， 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 当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附 到P型半导体(CrO3)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 图 6.2 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100 5 50 加 热 开 关 大 气 中 2 min 4 min 吸 气 时 还 原 型 氧 化 型 稳 定 状 态 器 件 加 热 响 应 时 间 约1 min以 内 器 件 电 阻 / k 规则总结： 氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加 还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小 氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小 还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 SnO2的灵敏度特性和温湿度特性 SnO2气敏电阻的基本检测电路 主要类型 烧结型气敏器件 薄膜型气敏器件 厚膜型气敏器件 烧结型气敏器件 烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料 （SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘 合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏 状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶 方法烧结。

最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制 外壳就构成器件 该类器件分为两种结构：直热式和旁热式 直热式气敏器件 直热式器件管芯体积很小，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 缺点： 热容量小，易受环境气流的影响 测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数 加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容易造 成器件接触不良 1 2 3 4 SnO2烧结体 IrPd合金丝 (加热器兼电极) 13 242 4 1 3 (a) (b) 结构 符号 图15.6直热式气敏器件的结构和符号 旁热式气敏器件 旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内， 在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导 体材料，就构成了器件 克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高 (a) 结构(b) 符号 图15.7旁热式气敏器件的结构和符号 加热丝 测 量 电 极 加热丝 电极 电极 电极 绕结体 加热器 陶瓷绝缘管 电极 薄膜型气敏器件 制作采用蒸发或溅射的方 法，在处理好的石英基片 上形成一薄层金属氧化物 薄膜（如SnO2、ZnO等）， 再引出电极实验证明： SnO2和ZnO薄膜的气敏特 性较好 优点：灵敏度高、响应迅 速、机械强度高、互换性 好、产量高、成本低等 图15.8 薄膜型气敏器件的结构 加热器 电极 基片 氧化物半导体 单位：mm 引线 引线 引线 引线 电极 厚膜型气敏器件 厚膜型气敏器件是将SnO2和 ZnO等材料与315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 制到装有铂电极的氧化铝基 片上，在400800高温下 烧结12小时制成 优点：一致性好，机械强度 高，适于批量生产 图15.9 厚膜型气敏器件的结构 加热器（印刷厚膜电阻） 电极 氧化物半导体 基片 单位：mm 电阻式气敏传感器的特点 优点： 工艺简单，价格便宜，使用方便； 气体浓度发生变化时响应迅速； 即使是在低浓度下，灵敏度也较高。

缺点： 稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特 性差异大等 （2）非电阻式气敏传感器 二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 PdMOSFET气敏传感器 二极管气敏传感器 二极管气敏传感器主要利用气体浓度变化引起二极 管整流特性发生改变的原理来实现测量如在掺锢的硫 化镉上，薄薄地蒸发一层钯薄膜，就形成了钯硫化镉二 极管气敏传感器，这种传感器可用来检测氢气当被测 氢气浓度急剧增高时，由于吸附在钯表面的氧气因氢气 浓度的增高而解析，使肖特基势垒降低，从而引起正向 偏置电流也急剧增大所以在一定偏置条件下，通过测 量电流值就可以获知氢气的浓度 MOS二极管气敏传感器 在P型半导体硅芯片上，采 用热氧化工艺生成一层厚 度为50100nm左右的 SiO2层，然后再在其上蒸 发一层钯金属薄膜作为栅 电极由于SiO2层电容Cx 是固定不变的，SiSiO2 界面电容Cx是外加电压的 函数，所以总电容C是栅极 偏压U的函数，其函数关系 称为MOS管的电容电压 特性（即CU特性） 图15.6 MOS二极管气敏器件 结构和等效电路 当传感器工作时，由于钯在吸附H2后，会使钯的功函数 降低，从而引起MOS管的CU特性向负偏压方向平移， 如图6.7所示，由此可测定H2浓度。

图6.7 MOS二极管气敏器件 的CU特性 a吸附H2前b吸附H2后 PdMOSFET气敏传感器 PdMOSFET气敏传感器 是利用MOS场效应晶体管 （MOSFET）的阀值电压随 被测气体变化而变化的原理 制成的气敏器件Pd MOSFET与普通MOSFET的 主要区别是采用钯（Pd） 薄膜取代铝（Al）膜作为栅 极，并将沟道的宽长比 （W/L）增大到50100， 所以又称为钯栅场效应晶体 管，其结构如图6.8所示 (a)主视图 图6.8 PdMOSFET气敏器件结构示意图 (b)俯视图 原理 由于钯对H2吸附性很强，而H2在钯上的吸附将导致钯 的功函数下降，从而引起阀值电压发生改变Pd MOSFET气敏传感器正是利用H2在钯上吸附后引起阀 值电压下降这一特性来检测H2浓度的吸附氢后其阀 值电压的变化值与环境中的氢分压（Pa）之间满足如 下关系 式中：PdSiO2界面吸附氢原子达到饱和时，变 化的最大值； K氢分子离解的平衡常数 Tm U T U T U 2 2 1 H H T PK PK U m + = 图6.13 TGSl09型气敏传感器结构图 6.1.3 气敏传感器的应用 自动通风扇 气敏 电阻 放大 电路 加热 电源 比较器 电路 触发 电路 晶闸管 电路 排风 扇 温度 补偿 喇 叭 声光报警 驱动电 路 闪光指示 油烟 (煤气) 图6.14 自动通风扇的原理框图 图6.15 家用有毒气体报警器电路图 家用有毒气体报警器 6.2 湿敏传感器 6.2.1 湿敏传感器的基本概念及分类 6.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 6.2.3 湿敏传感器的应用 湿度的定义及其表示方法 所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。

它 通常有如下几种表示方法： 绝对湿度（AH） 相对湿度（%RH） 露点 绝对湿度（AH） 绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其 数学表达式为 绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量 V m H V a = 相对湿度（RH） 相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与 相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数其数学表达式 为： 相对湿度给出了大气的潮湿程度实际中常用 %100= W V T P P H 露点（温度） 在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一 特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态 而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温 度 湿敏传感器的定义 就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置 主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括 一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等 一个理想的湿敏传感器应具备的性能 使用寿命长，稳定性好 灵敏度高，线性度好，温度系数小 使用范围宽，测量精度高 响应迅速 湿滞回差小，重现性好 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好 器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低 器件感湿特征量应在易测范围内 湿敏传感器的主要参数及特性 感湿特性 湿度量程 灵敏度 湿滞特性 响应时间 感湿温度系数 老化特性 感湿特性 湿滞特性 湿敏传感器的分类 界限电流式湿敏传感器 湿敏传感器 电阻式 电容式 其它 电解质式 陶瓷式 高分子式 陶瓷式 高分子式 光纤湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等 图6.14 湿敏传感器的分类 6.2.2。