半导体传感器PPT

旁热式气敏器件的结构及符号
它的特点是将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Sn02等材 料。旁热式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，所以这 类结构器件的稳定性、可靠性都较直热式器件的好。
它以多孔质陶瓷如氧化硅为基材，添加不同物 质采用低温(700～900℃)制陶工艺进行烧结，烧结 时埋人铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线 焊在管座上制成元件。由于制作简单，它是一种最 普通的结构形式，主要用于检测还原性气体、可燃 性气体和液体蒸气，但由于烧结不充分，器件的机 械强度较差，且所用电极材料较贵重，电性能误差 较大，所以应用受到一定的限制。
气敏传感器特点与特性
（1）气敏传感器的电阻变化率与气体浓度变化有关； （2）气敏传感器一般受环境温度、湿度影响； （3）上述三种传感器的共同之处是都附有加热器。
加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，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。加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式气 敏器件和旁热式气敏器件。
烧结型半导体气敏传感器结构
（2）薄膜型气敏传感器结构
薄膜型器件结构
利用蒸发或溅射方法，以石英或陶瓷为绝缘基片， 在基片的一面镀上加热元件，在基片的另一面上形成 金属氧化物薄膜（厚度在100 nm以下）。
用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有
很高的灵敏度和响应速度。敏感体的薄膜化有利于器 件的低功耗、小型化，以及与集成电路制造技术兼容， 所以是一种很有前途的器件。制作方法也很简单，实 验证明，二氧化硅半导体薄膜的气敏特性最好，但这 种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较 大。
接检测。 3.按结构分类：有干式传感器和湿式传感器； 干式传感器使用时必须加热，使电介质和催化剂长期处于高温状态，但往往会导致性能劣化； 湿式传感器是电极表面浸入电解液中，根据化学反应所引起的变化量（包括颜色变化、离子变化、
电流变化等）来进行检测。
表9-1 半导体气敏元件的分类
三、气敏传感器应满足下列要求：
半导体传感器
—电子信息工程
气敏 传感 器
湿敏 传感
器
色敏 传感 器
应用
9.1气敏传感器
一、气敏传感器的定义 气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和特定成分，并将其转换成电信号的传感器。
二、气敏传感器的分类 由于气体种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气电
转换的传感器种类有很多。 1.按构成气敏传感器材料的特性分类：半导体和非半导体气敏传感器。 2.按照半导体变化的物理性质:又可分为电阻型和非电阻型两种。 电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时,其阻值的改变来检测气体的成分或浓度; 非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接间
电子吸收型气体（氧化型）：如氧气、氮氧化物； 电子供给型气体（还原型）：如氢气、一氧化碳、 碳氢化合物等。
N型半导体吸附气体时的电阻变化
五、半导体气敏传感器的类型及结构
1、电阻型半导体气敏传感器 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺分为：烧结型、
薄膜型和厚膜型。
（1） 烧结型气敏器件结构
交叉灵敏度： 气敏传感器在使用的时候，都会有一种或一类目标气体去被传感器响应，而这一种或一类目标
气体以外的气体使传感器产生了响应，那么这种气体即是交叉干扰气体，传感器对单位浓度交叉干 扰气体的响应值就是交叉干扰灵敏度。有多少气体能对传感器造成交叉干扰，传感器对干扰气体的 灵敏度有多大，这就是交叉灵敏度。其他性能相近的时候，交叉干扰气体的种类越少，交叉干扰灵 敏度越低，传感器越好。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大， 又存在 大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且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，往往会使其性能变差。
所以对气敏传感器有下列要求：
1.具有小的交叉灵敏度； 2.具有较高的灵敏度和较宽动态响应范围； 3.性能稳定，传感器特性不随环境温度、湿度的变化而发生变化； 4.重复性好，易于维护等。
（3）厚膜型气敏传感器结构 厚膜型半导体气敏传感器
将气敏材料(氧化物材料如Zn0等)与一 定比例的粘合剂硅凝胶等混合制成能印刷 的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安 装有铂电极的氧化铝的基片上，在400— 800℃的温度下烧结1～2小时便制成厚膜型 气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性 较好，生产工艺简单，机械强度高，离散 度小，适合大批量生产。
四、半导体气敏传感器工作机理:
半导体气敏传感器是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，被吸附的分子首先在表面自由扩散，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（气体的吸附和渗透特性）时，吸附分子将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。
直热式气敏器件的结构及符号
直热式器件是将加热丝、测量丝直接埋入二氧化 硅或Zn0等粉末中烧结而成的，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，可以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，加热丝与二氧化硅烧结体之间 由于热膨胀系数差异，易造成接触不良的现象。
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，半导体载流子将减少，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，载流子增多，使半导体 电阻值下降。气体接触N型半导体时所导致的敏感器件阻值变化的情况， 如图所示:
由于空气中的含氧量ห้องสมุดไป่ตู้体上是恒定的，因此氧的 吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓 度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以 从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气 敏时间（响应时间）一般不超过1 min。N型材料有 Sn02、Zn0、Ti0等。P型材料有M00z、Cr03等。