《大连理工传感器原理及应用第9章51》课件.ppt

;第九章;; 第九章 半导体传感器 ;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。;（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。;（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;（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。;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。;（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;（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。;（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 。;（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???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;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;三、非电阻型半导体气敏传感器; 第九章 半导体传感器 ;湿度：指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。 绝对湿度：指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，用符号AH表示。 相对湿度：指气体绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，用符号%RH表示。 相对湿度给出大气的潮湿程度，一个无量纲的量，在实际使用中多使用这一概念。;湿度量程：湿敏传感器工作性能的一项重要指标，指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH表示。;感湿灵敏度即湿度系数：在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1％RH时，湿敏传感器电参量的变化值或百分率。;在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿敏传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。 一般规定从起始到终止63％或90％的相对湿度变化所需要的时间作为响应时间，也称时间常数；反映湿敏传感器相对湿度发生变化时反应速度的快慢。 响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数传感器的脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿敏传感器的响应时间。;湿敏传感器的阻值与外加测试电压的频率有关。在高湿时频率对阻值的影响很小；当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。 湿敏传感器的使用频率上限一般由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此测试电压频率也不能太低。;（1）基本结构 氯化锂湿敏电阻，一种典型的电解质型湿敏器件；利用吸湿性盐类潮解、离子导电率发生变化而制成的，由引线、基片、感湿层与电极组成。;工艺：两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。 材料：ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而下降。 正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随湿度增加而增大。;三、半导体陶瓷湿敏电阻;三、半导体陶瓷湿敏电阻;（1）MgCr2O4-TiO2湿敏器件 MgCr2O4为Ｐ型半导体，电阻率低，阻值温度特性好。 氧化镁复合氧化物—二氧化钛湿敏材