傳感器及其應用（第三版）半導體傳感器

半導體傳感器8.1半導體溫度傳感器8.2半導體濕度傳感器8.3半導體氣體傳感器8.4半導體磁敏傳感器8.5半導體射線傳感器

8.1半導體溫度傳感器

8.1.1接觸型半導體傳感器

1.半導體熱敏電阻

1)半導體熱敏電阻的主要參數及其特性

熱敏電阻是一種對熱敏感的電阻元件，一般用半導體材料做成，屬體型元件。它的主要特點如下：

(1)靈敏度高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10－6℃溫度變化。

(2)小型，元件尺寸可做到直徑為0.2mm，能夠測出一般溫度計無法測量的空隙、腔體、內孔、生物體血管等處的溫度。

(3)使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ之間任意選擇。

半導體熱敏電阻的工作原理一般用量子躍遷觀點進行分析。由于熱運動(譬如溫度升高)，越來越多載流子克服禁帶寬度(或電離能)引起導電，這種熱躍遷使半導體載流子濃度和遷移率發(fā)生變化，根據電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。

熱敏電阻的主要參數有：

①標稱阻值RH

在環(huán)境溫度為(25±0.2)℃時測得的阻值，也稱冷電阻，單位為Ω。

②電阻溫度系數αt

熱敏電阻的溫度每變化1℃時，阻值的相對變化率，單位為%/℃。如不作特別說明，是指20℃時的溫度系數。

式中，R為溫度為T(K)時的阻值。

③時間常數τ

它是指熱敏電阻從溫度為T0的介質中突然移入溫度為T的介質中，熱敏電阻的溫度升高ΔT=0.63(T－T0)所需的時間，單位為s。它表征熱敏電阻加熱或冷卻的速度。(8.1)

④散熱系數H

它是指熱敏電阻自身發(fā)熱使其溫度比環(huán)境溫度高出1℃所需的功率，單位為W/℃或mW/℃。它取決于熱敏電阻的形狀、封裝形式以及周圍介質的種類。

⑤最高工作溫度Tm

它是指熱敏電阻長期連續(xù)工作所允許的最高溫度，在該溫度下，熱敏電阻性能參數的變化應符合技術條件的規(guī)定。

熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數型(PositiveTemperatureCoefficient)(簡稱PTC型)、負溫度系數型(Negati-veTemperatureCoefficient)(簡稱NTC型)和臨界溫度系數型(CriticalTemperatureResistor)(簡稱CTR型)。它們的電阻特性如圖8.1所示。圖8.1半導體熱敏電阻的溫度特性正溫度系數(PTC)型熱敏電阻是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3構成的燒結體。其特性曲線是隨溫度升高而阻值增大，其色標標記為紅色。開關型正溫度系數熱敏電阻在居里點附近阻值發(fā)生突變，有斜率最大的區(qū)段，通過成分配比和添加劑的改變，可使其斜率最大的區(qū)段處在不同的溫度范圍里，例如加入適量鉛其居里溫度升高；若將鉛換成鍶，其居里溫度下降。

如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱還原氣氛中形成半玻璃狀燒結體，還可以制成臨界型(CTR)熱敏電阻，它是負溫度系數型，但在某個溫度范圍里阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭，靈敏度極高，其色標標記為白色。此特性可用于自動控溫和報警電路中。負溫度系數(NTC)型半導體熱敏電阻研究最早，生產最成熟，是應用最廣泛的熱敏電阻之一，通常是一種氧化物的復合燒結體，特別適合于－100℃～300℃之間的溫度測量，其色標標記為綠色。其阻值與溫度的關系為

式中，R為溫度T時的阻值，單位為Ω；T為溫度，單位是K；A，B為取決于材質和結構的常數，其中A的量綱為Ω，B的量綱為K。(8.2)由上面的關系式不難得到下式

式中，R為任意溫度T時熱敏電阻的阻值，T為任意溫度［K］，R0為標準溫度T0［K］時的阻值，B稱為負溫度材料系數也稱為B常數。

式(8.3)是經驗公式，實驗表明，無論是用氧化物還是用單晶做成的熱敏電阻，在不太寬的溫度范圍內(小于400℃)都能用上式描述。(8.3)這里應該指出，B常數不是固定值，是溫度T的函數，即B=f(T)，不同廠家生產的熱敏電阻B值都不一樣，從公式(8.3)可求出B常數

如果被測溫度比較低，而且不需要很高的精度時，一般把B看成一個常數，求出溫度或熱敏電阻的阻值。這時計算溫度的公式為(8.4)(8.5)根據式(8.2)，我們可以求出熱敏電阻的溫度系數為

圖8.2表示熱敏電阻B常數的溫度特性。

熱敏電阻的溫度系數隨溫度減小而增大，所以低溫時熱敏電阻溫度系數大，所以靈敏度高，故熱敏電阻常用于低溫－100℃～300℃測量。

在穩(wěn)態(tài)情況下，熱敏電阻上的電壓和通過的電流之間的關系，稱為伏安特性。熱敏電阻的典型伏安特性如圖8.3所示。(8.6)圖8.2

B常數的溫度特性圖8.3熱敏電阻的伏安特性流過熱敏電阻的電流與時間的關系，稱為安時特性，如圖8.4所示。它表示熱敏電阻在不同電壓下，電流達到穩(wěn)定最大值所需要的時間。對于一般結構的熱敏電阻，其值均在

0.5～1s之間。圖8.4熱敏電阻的安時特性

2)熱敏電阻溫度傳感器

(1)熱敏電阻測溫的基本電路。

為了取得熱敏電阻的阻值和溫度成比例的電信號，需要考慮它的直線性和自身加熱問題。圖8.5表示熱敏電阻的基本聯接電路。對于負溫度系數的熱敏電阻(NTC型)當溫度上

升時，熱敏電阻的阻值變小，輸出電壓Uout上升。在0～100℃溫度范圍內有如下關系：(8.7)圖8.5熱敏電阻的基本聯接法從式(8.3)可知，溫度和熱敏電阻的阻值之間有非線性特性。為了改善它的直線性，適當調整Rs值，使得特性曲線通過0℃、50℃、100℃三個溫度點。從Uout(50)×2=Uout(0)+Uout(100)的關系，利用各點熱敏電阻的阻值可求出Rs值，

如果熱敏電阻的三個溫度點的阻值各為

RTh0=30.0kΩ；RTh50=4.356kΩ；RTh100=1.017kΩ代入公式(8.8)后得到Rs=3.322kΩ。

圖8.6為圖8.5所示電路的溫度和輸出功率特性。其中特性百分比表示不同溫度下，電源輸出功率與100℃時輸出功率的百分比。(8.8)圖8.6溫度和輸出功率特性另外，考慮到自身加熱問題，由于加在熱敏電阻上的電功率和阻值變化的關系為

對式(8.9)進行微分，根據極大值條件可求出如圖8.7所示的溫度和自身加熱電功率關系。也就是當RTh=Rs時，輸出的電功率最大。為此，根據測量所要求的精度，決定自身加熱量之后，從P的公式決定橋式電路電壓。如果P=0.15mW，則U≈1.4V。(8.9)圖8.7溫度與自身加熱電功率的特性由于熱敏電阻的阻值與溫度之間成非線性關系，所以溫度精確測量時，設計靈敏度高且有非線性校正的測量電路顯得十分重要。

通過熱敏電阻把溫度的變化轉換成頻率信號的方法，其原理如圖8.8所示，其中，RT為熱敏電阻，整個傳感器線路用運算放大器接成多諧振蕩回路，當環(huán)境溫度變化時，得到熱敏電阻的阻值與振蕩器振蕩頻率的關系曲線(也可看成溫度與振蕩器振蕩頻率的關系曲線)，我們希望溫度與頻率的特性曲線是線性的，因此，在電路中必須合理地確定R1、R2和C1的值。圖8.8振蕩回路設R0為RT與R1串聯后與R2并聯的值，即

可以證明振蕩頻率

設

則

如在溫度為T1、T2、T3時與熱敏電阻RT-T曲線在被測溫度內有三點相交，如圖8.9中的A、B、C三點，根據式(8.10)，在三個校準點上滿足方程：(8.10)(8.11)圖8.9校準曲線若T2恰好是測溫范圍中點，而R1、R2的選擇又使得

f3－f2=f2－f1

解方程組(8.11)可求出滿足上述條件的電路參數(8.12)(8.13)(8.14)

(2)利用兩個熱敏電阻，求出其溫度差的電路。

測量溫度差的電路是充分利用熱敏電阻高靈敏度的一個例子。在溫度測量中，測量溫度的絕對值一般能測量到0.1℃左右的精度，要測到0.01℃的高精度是很困難的。但是,如果在具有兩個熱敏電阻的橋式電路中，在同一溫度下，調整電橋平衡，當兩個熱敏電阻所處環(huán)境溫度不同，測量溫度差時，精度可以大大提高。

圖8.10示出這種求溫度差的電路圖。圖(a)電路的測溫范圍較小，而且兩個熱敏電阻的B常數應該一致，但靈敏度高;圖(b)電路的測溫范圍較大，而且對B常數一致性的要求也不

嚴格，因為它們可以用Rs來適當調整。圖8.10求溫度差的橋式電路

2.PN結型熱敏器件

1)晶體二極管PN結熱敏器件

根據半導體器件原理，流經晶體二極管PN結的正向電流ID與PN結上的正向壓降UD有如下關系

式中，q為電子電荷量，k為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度，Is為反向飽和電流。它可寫為(8.15)(8.16)式中，qUg0為半導體材料的禁帶寬度；B和η為兩個常數，其數值與器件的結構和工藝有關。將式(8.15)取對數并考慮到式(8.16)，得

對上式兩邊取導數，得到PN結正向壓降對溫度的變化率為

從以上二式得到溫度靈敏度為(8.17)式中，k=8.63×10－5eV/K，對硅半導體材料Ug0=1.172V，如設UD=0.65V，T=300K和η=3.5，則得

在此條件下，溫度每升高1℃，PN結正向電壓下降2mV。應用晶體管的這一特性就可測溫。低溫可測至接近絕對零度。

硅二極管正向電壓的溫度特性如圖8.11所示。顯而易見，在40K～300K之間有良好的線性。當正向電流一定時，二極管的種類不同，其溫度特性也不同，正向電流變化時，溫度特性也隨之變化。二極管測溫電路如圖8.12所示。圖8.11硅二極管正向電壓的溫度特性圖8.12二極管測溫電路

2)晶體三極管溫度傳感器

根據晶體管原理，處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管，其發(fā)射極電流和發(fā)射結電壓能很好地符合下面關系

式中，IE為發(fā)射極電流，UBE為發(fā)射結壓降，Ise為發(fā)射結的反向飽和電流。

因為在室溫時，kT/q=36mV左右，因此，在一般發(fā)射結正向偏置的條件下，都能滿足UBE

kT/q的條件，這時上式可以近似為(8.18)對上式取對數，得

令 ，則

UBE=aT(8.20)

由上式可知，溫度T與發(fā)射結壓降UBE有對應關系，我們可根據這一關系通過測量UBE來測量溫度T值，且在溫度不太高的情況下，兩者近似成線性關系，其靈敏度為(8.19)圖8.13為硅半導體晶體管的基極—發(fā)射極間電壓UBE和集電極電流IC關系的溫度特性。從圖中可看出UBE具有大約－2.3mV/℃的溫度系數。利用這種現象可以制成高精度、超小型的溫度傳感器。測溫范圍在－50℃～200℃左右。

圖8.14為晶體管溫度傳感器用作電子體溫計的原理圖及其輸出特性。在0℃～50℃的范圍內，輸出電壓變化為0～－1V，測溫精度不低于0.05℃。圖8.13

UBE與IC的溫度特性圖8.14晶體管體溫計原理圖及測溫輸出特性

3)可控硅熱敏開關

結型熱敏器件另一種類型是利用可控硅元件的熱開關特性制成的可控硅熱敏開關，是一種無觸點熱開關元件。當元件處于關態(tài)時，流過陽極與陰極之間的電流ID為

式中，IG為流過陽極與柵極電阻的旁路選通電流；a1為空穴電流增長率，a2為電子電流增長率，IC0為集電極截止電流。

當截止電壓一定時，隨溫度的上升，熱激電子空穴對成指數增加，使IC0增大，a1和a2也增大。當溫度達到一定值，使a1+a2=1時，元件即由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)。圖8.15為可控硅熱敏開關元件的開關電壓與開關溫度之間的關系特性。圖8.15可控硅熱敏開關元件的溫度特性

圖8.16為可控硅熱敏開關元件(T·Thy)用于控溫的原理圖。在設定溫度下處于關閉狀態(tài)，設定溫度由VR調整。由于RC電路的相移作用，流經C1、R1、R2的電流相位較電源電壓超前，故可控硅管(SCR)V從電源的零相位開始導通，并向負載提供半波電功率。當溫度超過設定溫度時，可控硅熱敏開關(T·Thy)導通致使可控硅管(SCR)V截止，從而達到控溫作用。圖8.16可控硅熱敏開關元件用于控溫的原理圖圖8.17為全波式溫度控制電路，不僅在交流電的正半周使可控硅處于開態(tài)，而且在負半周也使可控硅處于開態(tài)。當被檢測部位溫度比T·Thy開關設定溫度TSW(由電阻RGA來設定)低時，由于觸發(fā)電路SCR1在電源電壓為0V時被觸發(fā)，使三端雙向可控硅開關器件BCR處于開態(tài)，另外，當SCR1處于開態(tài)時，由于C4充電像圖中所示，電流電壓由正向負反轉的一瞬間C4的充電電荷通過SCR2而放電，使BCR仍處于開態(tài)。這樣即使當溫度比TSW低時，BCR也能被觸發(fā)而向負載提供電流。當被檢測部位溫度升高到比TSW高時，T·Thy處于開態(tài)，而SCR1則變成關態(tài)。C4不再充電，雖然在負半周期中SCR2的控制極上有附加信號也不能觸發(fā)BCR。這樣,不論正負半周期，BCR始終處于關態(tài)而不向負載供給電力。重復上述的過程可達到保持一定溫度的目的。圖8.17全波式溫控電路目前已商品化的元件特性為：工作電壓50V，導通平均電流100mA，接通溫度有低溫－30℃～30℃、室溫10℃～70℃、高溫70℃～120℃三種規(guī)格，時間常數為20s。表

8.1列出了可控硅熱敏開關的應用范圍。表8.1可控硅熱敏開關的應用范圍

3.集成(IC)溫度傳感器

集成電路(IC)溫度傳感器是近期開發(fā)的，把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等用集成化技術制作在同一基片上而成的，集傳感與放大為一體的功能器件。這種傳感器，輸出特性的

線性關系好，測量精度也比較高，使用起來方便，越來越受到人們的重視。它的缺點是靈敏度較低。

IC傳感器的基本特性如下：

(1)可測得線性輸出電流(1μA/℃)。

(2)檢測溫度范圍廣－55℃～150℃。

(3)測量精度為±1℃。

(4)無調整時也可使用。

(5)直線性很好，滿量程非線性偏離：±0.5℃。

(6)使用電源范圍廣(+4～+30V)。

IC溫度傳感器的設計原理是，對于集電極電流比一定的兩個晶體管，其UBE之差ΔUBE與溫度有關。

由式(8.19)知，發(fā)射結壓降與發(fā)射極電流IE及反向飽和電流Ise有關，兩個晶體管的發(fā)射結正向壓降分別為

則兩個晶體管發(fā)射結壓降差(8.21)式(8.21)表明ΔUBE與絕對溫度T成正比。選擇特性相同的兩個晶體管，則Ise1=Ise2，兩個晶體管的電流放大系數也應相同，當兩個晶體管的集電極電流分別為IC1、IC2時，

ΔUBE經后級放大器放大后，可使傳感器的輸出隨溫度產生10mV/℃的變化量。

IC溫度傳感器按輸出方式可分為電壓輸出型和電流輸出型。圖8.18為電壓輸出型IC溫度傳感器原理圖。圖中V1、V2為集電極電流分別為I1、I2的兩個性能相同的晶體管。圖8.19為放大器的原理框圖。(8.22)圖8.18電壓輸出型IC溫度傳感器原理圖圖8.19電壓輸出型IC溫度傳感器放大器的原理框圖電流輸出型IC溫度傳感器原理圖如圖8.20所示。從圖中不難看出：

UBE1=UBE2；IC3=IC4

IC設計時，取V3發(fā)射極面積為V4發(fā)射極面積的8倍，于是根據式(8.22)得電阻R上的電壓輸出為

圖中集電極電流由UT/R決定，電路中流過的電流為流過R的電流的2倍。取R=358Ω，則可獲得靈敏度為1μA/K的溫度傳感器。圖8.20電流輸出型IC溫度傳感器原理圖

IC溫度傳感器的一大特點是應用起來很方便。圖8.21表示最簡單的絕對溫度計(開耳芬溫度計)。如果把它的刻度換算成攝氏、華氏溫度刻度時就可以做成各種溫度計了。圖8.22表示用串聯電路時測量低溫度的電路圖。圖8.23表示用并聯電路時測量平均溫度值的電路圖。圖8.21開耳芬溫度計圖8.22低溫測量溫度計圖8.23測量平均溫度的電路圖

4.半導體光纖溫度傳感器

光纖的特征是對電、磁及其他輻射的抗干擾性好，而且細、輕、能量損失少。因此，利用光纖做的傳感器，在惡劣的環(huán)境下也能正常工作。

圖8.24表示各種半導體禁帶寬度的溫度特性，從圖中可看出，半導體的禁帶寬度Eg隨溫度T增加近似線性地減小。因此，半導體吸收邊波長λg(λg=ch/Eg，式中，c為光速，h為普朗克常數)隨溫度增加而向長波長方向位移，如圖8.25所示。利用半導體材料的光吸收與溫度的關系，可以構成透射式光纖溫度傳感器。圖8.24各種半導體禁帶寬度的溫度特性圖8.25半導體材料的吸收特性圖8.26(a)為測量原理圖。在輸入光纖和輸出光纖之間夾一片厚度約零點幾毫米的半導體材料，并用不銹鋼管加以固定，如圖8.26(b)所示。圖8.26半導體吸收式光纖溫度傳感器的測溫原理圖為了進一步提高傳感器的穩(wěn)定性及抗干擾能力，并提高測量精度，可采用以下兩種方法。

1)雙光纖參考基準通道法

其結構框圖如圖8.27所示。光源采用GaAlAs-LED，半導體吸收材料CdTe或GaAs作為測量元件。探測器選用Si-PIN發(fā)光二極管。從圖中可看出，此方案與前一方案的區(qū)別在于增加了一條參考光纖及相應的探測器。由于采用了參考光纖和除法器，消除了干擾，提高了測量精度。這種溫度計測溫范圍為－40℃～120℃，精度為±1℃。圖8.27雙光纖參考基準通道法原理框圖

2)雙光源參考基準通道法

圖8.28為測溫示意圖。發(fā)光二極管LED(AlGaAs，λ1=0.88μm；InGaAsP，λ2=1.27μm)交替地發(fā)出光脈沖，經耦合器送入光纖探頭，每個光脈沖的寬度為10ms。半導體GdTe(或GaAs)對一只LED發(fā)射波長為λ1的光的吸收與溫度有關，而對另一只LED發(fā)出的波長為λ2的光幾乎不吸收，這樣可以作為參考光，經Ge-APD光電探測器送入采樣保持電路，得到正比于脈沖幅值的直流信號，最后采用除法器獲得溫度信號。該溫度計測溫范圍為－10℃～300℃，精度為±1℃。圖8.28雙光源參考基準通道法原理框圖8.1.2非接觸型半導體溫度傳感器

溫度為T的物體對外輻射的能量E與波長λ的關系，可用普朗克定律描述，即

式中，εT為物體在溫度T之下的發(fā)射率(也稱為“黑度系數”,當εT=1時物體為絕對黑體)；C1

為第一輻射常數(第一普朗克常數)，C1=3.7418×10－16W·m2；C2為第二輻射常數(第二普朗克常數)，C2=1.4388×10－2m·K。

根據斯特藩-玻耳茲曼定律，將上式在波長自0到無窮大進行積分，當εT=1時可得物體的輻射能(8.23)

此處，σb是黑體的斯特藩-玻耳茲曼常數，σb=5.7×10－8W·m－2·K－4；Tb是黑體的溫度。

一般物體都不是“黑體”，其發(fā)射率εT不可能等于1，而且普通物體的發(fā)射率不僅和溫度有關且和波長有關，即εT=εT(λ·T)，其值很難求得。雖然如此，輻射測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫范圍寬，精度高，反應速度快，即可測近距離小目標的溫度，又可測遠距離大面積目標的溫度。輻射能與溫度的關系通常用實驗確定。(8.24)黑體的輻射規(guī)律之中，還有維恩位移定律，即輻射能量的最大值所對應的波長λm隨溫度的升高向短波方向移動，用公式表達為

利用以上各項特性構成的傳感器，必須由透鏡或反射鏡將物體的輻射能會聚起來，再由熱敏元件轉換成電信號。常用的熱敏元件有熱電堆、熱敏或光敏電阻、光電池或熱釋電元件。(8.25)透鏡對輻射光譜有一定的選擇性，例如光學玻璃只能透過0.3～2.7μm的波長，石英玻璃只能透過0.3～4.5μm的

波長。熱敏元件，尤其是光敏元件也對光譜有選擇性。這樣就使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能，而只是部分輻射能。真正的全輻射溫度傳感器是不存在的。

圖8.29為熱輻射溫度計的原理框圖。由光學系統(tǒng)接收來的被測物體的輻射能，經光調制盤進行調制后進入傳感器，然后經同步整流取出信號，再經放大后輸出。為了能夠正確測量，還應對被測對象的發(fā)射率進行修正。

用熱輻射傳感器制成的溫度計測溫范圍為(－50～+3500)℃，測量靈敏度為(0.01～1)K，精度為±(0.5～2)%。圖8.29熱輻射溫度計的原理框圖紅外熱輻射傳感器，從原理上又可分為熱電型和光量子型。熱電型是指由于輻射熱引起元件溫度的微小變化，導致電阻一類的物理量的變化，而達到測溫的目的。這類傳感器一般與波長無關。光量子型是利用光電效應制成的，因而與波長有關。

熱電型紅外傳感器的優(yōu)點是使用方便，可直接在室溫下使用，光譜特性平坦，靈敏度與波長無關。缺點是響應速度慢，靈敏度低。常用的此類傳感器有熱電堆、熱釋電元件等。熱釋電元件和壓電陶瓷一樣，都是鐵電體，如鈮酸鍶鋇、鈦酸鉛、鈮酸鉭等，除具有壓電效應外，在輻射能量照射下也會放射出電荷。經高輸入阻抗的放大電路放大之后，可得到足夠大的電信號。但是在連續(xù)不斷的照射下，它并不能產生恒定的電動勢，必須對輻射進行調制，使成為斷續(xù)輻射，才能得到交變電動勢。因此，應該用交流放大電路。熱釋電元件的響應時間短，通常把它和場效應管封裝在同一外殼里，輻射經鍺或硅窗口射入，由場效應管阻抗變換后與放大電路配合。其結構和電路如圖8.30所示。圖8.30熱釋電輻射傳感器光量子型傳感器可以分為光導(PC)型、光電(PV)型、光電磁(PEM)型、肖特基(ST)型。PC型結構是電阻體光照后引起阻值變化；PV型為一PN結二極管，其耗盡層上由于光照

射生成電子空穴對，檢測由此產生的光電流；PEM型是利用PEM效應，即在加上電場及磁場的同時，由于光照而產生與光強成比例的感應電荷；而肖特基型是根據金屬與半導體接觸形成的肖特基勢壘隨光照而變化的原理制備的。圖8.31為它們的結構示意圖。常用的紅外傳感材料有Ge、Si、PbS、HgCdTe、InSb等。圖8.32給出了它們相應的光譜特性。這類傳感器因與波長有關，故測量溫度存在下限，例如PbS為100℃以上，Si為400℃以上。圖8.31光量子型紅外傳感器示意圖(a)PC型；(b)PV型；(c)PEM型；(d)ST型 8.2半導體濕度傳感器

8.2.1濕度的定義

大氣中含有水分的多少直接影響大氣的干、濕程度。在物理學和氣象學中，對大氣(空氣)濕度的表征通常使用絕對濕度、相對濕度和露(霜)點濕度。

在一定溫度和壓力條件下，單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質量為絕對濕度，

式中，mV為待測混合氣體中所含水蒸氣的質量；V為待測混合氣體的總體積；PV為待測混合氣體的絕對濕度，其單位為g/m3，以AH表示。為了更好地描述一些與濕度有關的自然現象，目前，普遍用相對濕度(縮寫為RH)來表示濕度。所謂相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度PS的百分比，即滿足如下關系：

保持壓力一定而降溫，使混合氣體中的水蒸氣達到飽和而開始結露或結霜時的溫度稱為露點溫度，單位為℃?？諝獾南鄬穸仍礁咴饺菀捉Y霜，而混合氣體中的水蒸氣壓就是在該混合氣體中露點溫度下的飽和水蒸氣壓，所以通過測定空氣露點的溫度，就可以解決測定空氣的水蒸氣壓的問題。(8.26)8.2.2濕度傳感器的主要參數

1.濕度量程

能保證一個濕敏器件正常工作的環(huán)境濕度的最大變化范圍稱為濕度量程。濕度范圍用相對濕度(0～100)%RH表示，量程是濕度傳感器工作性能的一項重要指標。

2.感濕特征量-相對濕度特性曲線

每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等，在規(guī)定的工作溫度范圍內，濕度傳感器的感濕特征量隨環(huán)境相對濕度變化的關系曲線，稱為相對濕度特性曲線，簡稱感濕特性曲線。通常希望特性曲線應當在全量程上是連續(xù)的且呈線性關系。有的濕度傳感器的感濕特征量隨濕度的增加而增大，這稱為正特性濕敏傳感器；有的感濕特征量隨濕度的增加而減小，這稱為負特性濕敏傳感器。

3.感濕靈敏度

在某一相對濕度范圍內，相對濕度改變1%RH時，濕度傳感器感濕特征量的變化值或百分率稱為感濕靈敏度，簡稱靈敏度，又稱濕度系數。感濕靈敏度表征濕度傳感器對濕度變化的敏感程度。如果濕度傳感器的特性曲線是線性的，則在整個使用范圍內，靈敏度就是相同的；如果濕度傳感器的特性曲線是非線性的，則靈敏度的大小就與其工作的相對濕度范圍有關。

目前，采用較為普遍的一種表示方法是，以不同環(huán)境濕度下，感濕特征量之比來表示感濕靈敏度。如感濕特征量為電阻時，以R1%，R20%，R40%，R60%，R80%，R100%分別表示相相對濕度為1%，20%，40%，60%，80%，100%時濕敏元件的電阻值，濕敏元件的靈敏度可表示為一組電阻比，即R1%/R20%，R1%/R40%，R1%/R60%，R1%/R80%及R1%/R100%。

4.溫度系數

溫度系數是反映濕度傳感器的感濕特征量-相對濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特征。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對濕度的誤差就越小。溫度系數分為特征量溫度系數和感濕溫度系數。

在環(huán)境濕度保持恒定的情況下，濕度傳感器特征量的相對變化量與對應的溫度變化量之比，稱為特征量溫度系數。如感濕特征量是電阻，則電阻溫度系數為

式中，ΔT為一個規(guī)定溫度(25℃)與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；R1(C1)為溫度為25℃時濕度傳感器的電阻值；R2(C2)為另一規(guī)定環(huán)境溫度時濕度傳感器的電阻值。

濕度傳感器的感濕特征量(例如電阻)恒定的條件下，在兩個規(guī)定溫度下(通常一個規(guī)定溫度為25℃)，其對應的相對濕度之差與兩個規(guī)定的溫度變化量之比，稱為感濕溫度系數，也即環(huán)境溫度每變化1℃時，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。

5.響應時間

在一定的溫度下，當相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的感濕特征量之值達到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間稱為響應時間，也稱為時間常數。它反映了濕度傳感器對于相對濕度發(fā)生變化時，其反應速度的快慢。一般是以相應于起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間63%的相對濕度變化所需要的時間，叫響應時間，單位是s，也有規(guī)定從始到終90%的相對濕度變化作為響應時間的。響應時間又分為吸濕響應時間和脫濕響應時間。大多數濕度傳感器都是脫濕響應時間大于吸濕響應時間，一般以脫濕響應時間作為濕度傳感器的響應時間。

6.濕滯回線

濕度傳感器在升濕和降濕往返變化時的吸濕和脫濕特性曲線不重合，所構成的曲線叫濕滯回線。由于吸濕和脫濕特性曲線不重合，對應同一感濕特征量之值，相對濕度之差稱為濕滯量。濕滯量越小越好，以免給濕度測量帶來難度和誤差。

7.電壓特性

用濕度傳感器測量濕度時，由于加直流測試電壓引起感濕體內水分子的電解，致使電導率隨時間的增加而下降，故測試電壓應采用交流電壓。濕度傳感器感濕特征量之值與外加交流電壓之間的關系稱為電壓特性。當交流電壓較大時，由于產生焦耳熱，對濕度傳感器的特性會帶來較大影響。

8.頻率特性

濕度傳感器的阻值與外加測試電壓頻率有關。在各種濕度下，當測試頻率小于一定值時，阻值不隨測試頻率而變化，該頻率被確定為濕度傳感器的使用頻率上限。當然，為防止水分子的電解，測試電壓頻率也不能太低。

9.其它特性與參數

精度是指濕度量程內，濕度傳感器測量濕度的相對誤差。工作溫度范圍表示濕度傳感器能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍，它應由極限溫度來決定，即由在額定功率條件下，能夠連續(xù)工作的最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度所決定。

穩(wěn)定性是指濕度傳感器在各種使用環(huán)境中，能保持原有性能的能力。一般用相對濕度的年變化率表示，即±%RH/年。

壽命是指濕度傳感器能夠保持原來的精度，能夠連續(xù)工作的最長時間。8.2.3濕度傳感器器件

1.元素半導體濕敏器件

在電絕緣物表面上通過蒸發(fā)等工藝，制備一層具有吸濕性的元素半導體薄膜，可形成濕敏電阻器。濕敏傳感器就是利用上述濕敏電阻器的電阻值隨濕氣的吸附與脫附過程而變化的現象制成的。通常利用Ge和Se等元素半導體的蒸發(fā)膜制備濕敏器件，鍺的蒸發(fā)膜厚度約為100nm。鍺的濕敏器件的電阻值很高。在相對濕度為50%RH時，約等于108Ω。它比較適用于高濕度的測量。鍺的濕敏器件的特點是不受環(huán)境中灰塵等的影響，能夠得到比較精確的測量結果。然而在制備器件時，鍺的蒸發(fā)膜的老化需要較長時間，并且器件的重復性差。利用金屬硒蒸發(fā)膜或無定型硒蒸發(fā)膜都可以做濕敏器件。就濕度特性來說，無定型硒蒸發(fā)膜濕敏器件比金屬硒蒸發(fā)膜濕敏器件要好些，但就穩(wěn)定性來說，卻不如金屬硒蒸發(fā)膜濕敏器件好。一般來說，硒蒸發(fā)膜的濕敏器件的電阻值比鍺蒸發(fā)膜的濕敏器件電阻值低，被測濕度范圍較大，但它也有和鍺膜濕敏器件同樣的需要較長老化時間的缺點。

利用硒、鍺及硅燒結膜等制作的濕敏器件，要求膜要做得相當薄，而且還應具有多晶型結構。目的在于使其晶粒界面電導及表面電導對整個薄膜的電導起著支配作用。水分子的吸收將改變其表面態(tài)的占有情況以及影響晶粒界面的勢壘高度。這樣就能有效地控制膜的電導率，即當大氣中濕度發(fā)生變化時，將改變薄膜表面及其晶界面處所吸附的水分子數。因而改變薄膜的電導率，使器件電阻值發(fā)生變化。通過對器件電阻的測量，便可以得知大氣中濕度的大小。

因此，這類器件的膜要做得足夠薄，否則體內電導將成為電流通過的主要成分，使?jié)穸扔绊懕砻婕敖缑骐妼У淖兓荒芷鹬渥饔?，這樣一來，給器件制作工藝中膜厚度的控制及調整帶來一系列問題，并在使用過程中常因損傷、腐蝕和揮發(fā)等影響器件的精度、穩(wěn)定性和壽命。所以這些器件未能得以廣泛應用。圖8.33為硒蒸發(fā)膜濕度傳感器的結構，在絕緣瓷管表面上鍍一層鉑膜，然后以細螺距將鉑膜刻成寬約0.1cm的螺旋狀，以此作為兩個電極。在兩個電極之間蒸發(fā)上硒，A為鉑電極，B為硒蒸發(fā)膜層。圖8.34為硒蒸發(fā)膜濕度傳感器的電阻-濕度特性。由于這種傳感器不使用吸濕性鹽和固定劑，所以能夠在高溫下長期連續(xù)使用。圖8.33硒蒸發(fā)膜濕度傳感器的結構圖8.34硒蒸發(fā)膜濕度傳感器電阻-濕度關系

2.金屬氧化物半導體陶瓷濕敏器件

在濕敏器件的發(fā)展過程中，由于金屬氧化物半導體陶瓷材料具有較好的熱穩(wěn)定性及其抗沾污的特點，而逐漸被人們所重視。因此，相繼出現了各種半導體陶瓷濕敏器件。半導體陶瓷使用壽命長，可以在很惡劣的環(huán)境下使用幾萬小時，這是其它濕敏器件所無法比擬的。半導體陶瓷濕敏器件，在對濕度的測量方面，可以檢測1%RH這樣的低濕狀態(tài)，而且還具有響應快、精度高、使用溫度范圍寬、濕滯現象小和可以加熱清洗等各種優(yōu)點。所以，半導體陶瓷濕敏器件已在當前濕度敏感器件的生產和應用中占有很重要的地位。金屬氧化物半導體陶瓷材料，按其制備方法的不同可分為兩大類：一類就是把一些金屬氧化物微粒經過粘結而堆積在一起的膠體，人們通常將這種未經燒結的微粒堆積體稱為陶瓷，用這種陶瓷材料制成的濕度敏感器件，一般稱為涂覆膜型濕度敏感器件。另一類陶瓷材料是經過研磨、成型和按一般制陶方法燒結而成具有典型陶瓷結構的各種金屬氧化物半導體陶瓷材料。它們共同的特點是多孔狀的多晶燒結體。因此，有時也將它們稱為燒結型陶瓷材料。

1)涂覆膜型Fe3O4濕度敏感器件

涂覆膜型濕度敏感器件有許多種類，其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕度敏感器件。一般來說，像Fe3O4這樣的金屬氧化物是很好的吸附水和脫水速干的材料。同時,Fe3O4比其它金屬氧化物材料具有比較低的固有電阻，而且對基板附著性好，因此，使用Fe3O4做濕敏器件，不但工藝簡單，而且價格低廉。

把氯化鐵和氯化亞鐵按2∶1的比例加水混合成溶液，然后加進NaOH，這時就沉淀出黑色Fe3O4。用純水洗去雜質，可做成質量很好的Fe3O4膠體。這類器件的特點是物理特性和化學特性比較穩(wěn)定，結構、工藝簡單，測濕量程寬，重復性和一致性較好，壽命長，成本低等。Fe3O4和Al2O3濕度敏感器件材料就屬于涂覆膜型濕度敏感器件材料。除此之外，作為涂覆膜型濕度敏感器件材料的還有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。

在滑石瓷或氧化鋁基片上用絲網印刷工藝制成一對梳狀金電極，然后采用噴涂法在電極上涂覆約30mm厚的預先調好的純凈的Fe3O4膠液，經低溫烘干后，通過老化處理即可制成濕度傳感器。Fe3O4微粒之間，依靠分子力和磁力的作用，構成接觸型結合。雖然Fe3O4微粒本身的體電阻較小,但微粒間的接觸電阻卻很大，這就導致Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當水分子透過松散結構的感濕膜而吸附在微粒表面上時，將擴大微粒間的面接觸，導致接觸電阻的減小，因而這種器件具有負感濕特性(燒結型濕敏器件具有正感濕特性)。由于Fe3O4膠體膜對滑石瓷和氧化鋁基片的密封性極好，因此，不需要粘合劑等固著劑，從而不必考慮粘合劑的龜裂等造成的不良影響。這種傳感器的優(yōu)點是：因為氧化物的特性不易改變，在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強的抗結露能力；在全濕范圍內有相當一致的濕敏特性；可以獲得長壽命產品，制備容易，價格便宜，可做成各種形狀的器件。其缺點是：當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，水分子要在數十μm厚的感濕膜體內充分擴散，才能與環(huán)境濕度達到新的平衡。這一擴散和平衡過程需時較長，使器件響應緩慢，吸濕和脫濕過程響應速度差別較大，因而器件有較明顯的濕滯效應。圖8.35示出了傳感器的電阻與濕度的關系。圖8.35

Fe3O4膠體膜傳感器的電阻與濕度的關系

2)多孔質燒結型陶瓷濕敏器件

目前，從各國濕度傳感器的產量中可以看出，約有50%以上是燒結型的，而厚膜和薄膜各占15%到20%。以不同的金屬氧化物為原料，通過典型的陶瓷工藝制成了品種繁多的燒結型陶瓷濕度傳感器，其性能也各有優(yōu)劣。

作為半導體濕敏材料的多孔質燒結型陶瓷主要有：MgCrO4-TiO2系陶瓷、MgCrO4系陶瓷、ZnO-Cr2O3系陶瓷、TiO2-V2O5系陶瓷等。以MgCrO4-TiO2系燒結型陶瓷為例，由其制成的濕度傳感器是由日本松下電器公司新田恒治等人在1978年研制成功的。它具有感濕范圍寬、溫度系數小和響應時間短等特點。MgCrO4-TiO2系燒結型多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔，氣孔率在20%～35%之間，粒間氣孔與顆粒大小有關，平均粒徑在1μm左右，氣孔直徑隨TiO2添加量的增多而增大，平均氣孔直徑在100～300nm范圍內，可看做相當于一種開口毛細管，容易吸附水分。

多孔質燒結型陶瓷的氣孔率是控制器件電阻的主要因子，同時，考慮到互換性，氣孔徑在某種程度上要細而均勻。這就要求顆粒要細且具有一定形狀。另外，為了長期穩(wěn)定性，陶瓷顆粒表面對大氣濕度要穩(wěn)定。在多孔陶瓷制備工藝中，粉料的制備是制造性能優(yōu)良的陶瓷濕度傳感器的關鍵之一。選擇質地優(yōu)良的原料，嚴格的原料配比，球磨后粉料粒徑的大小，粒子的形狀，粒徑的分布決定著陶瓷感濕體的氣孔率和孔徑，進而決定著傳感器的性能。在多孔陶瓷感濕體的制造過程中，燒成的作用也特別重要。1300℃溫度下把干壓(或其它)成型的陶體坯體制成多孔陶瓷。

燒成過程對晶粒的半導化，晶粒的大小，晶粒的形狀，晶界狀態(tài)，孔徑大小，孔徑分布以及陶瓷感濕體的機械強度，表面形狀，阻值大小等有著直接的影響。其它的燒結型半導體陶瓷濕敏材料，比如TiO2-V2O5系陶瓷濕敏材料等的制備過程與MgCrO4-TiO2系陶瓷濕敏材料大體上一致，晶粒直徑大約為1μm，燒結體細孔徑分布為0.2～0.5μm，氣孔率大約為45%，測量濕度范圍為15%～100%RH，工作溫度為0℃～150℃，使用范圍較寬。

多孔質燒結型陶瓷MgCrO4-TiO2濕敏器件的結構如圖8.36所示。圖8.36燒結型MgCrO4-TiO2濕敏傳感器結構

MgCrO4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻-濕度特性、電阻-溫度特性及響應時間特性如圖8.37所示。圖8.37

MgCrO4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的特性(a)電阻-濕度特性；(b)電阻-溫度特性；(c)響應時間特性

3)厚膜陶瓷濕度傳感器

以ZrO2系濕敏材料為例，厚膜濕度傳感器主體部分結構如圖8.38所示，是在氧化鋁基片上印刷梳狀電極，梳狀電極相互交錯排列并成平行線。圖8.38厚膜濕度傳感器主體部分結構圖

4)薄膜濕度傳感器

薄膜濕度傳感器的結構一般有兩種形式，一種是在硼硅玻璃或藍寶石襯底上沉積一層氧化物薄膜，然后在薄膜上再蒸發(fā)一對梳狀電極；另一種是先在硼硅玻璃或藍寶石襯底上，用真空蒸發(fā)方法制作下金電極，再用噴鍍法或濺射法生成一層多孔質的氧化物薄膜，然后再在此薄膜上蒸發(fā)上金電極，為了讓水蒸氣順利通過，金的厚度在70nm左右。薄膜濕度傳感器的結構如圖8.39所示。圖8.39薄膜濕度傳感器的結構制作薄膜濕度傳感器的主要薄膜材料是Ta2O5和Al2O3。由于它們都具有很高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，因此用它們制成的濕度傳感器能在很高的環(huán)境溫度下工作。由于感濕膜很薄，響應時間很快(約1～3s)，特別適宜在高速濕度響應場合下使用。

薄膜濕度傳感器的感濕特征量往往都采用電容量，由于純水的介電常數比較大，當環(huán)境相對濕度增加時，薄膜濕度傳感器所吸附的水分子增多，因而使電容量增大。圖8.40是Ta2O5薄膜濕度傳感器的電容—濕度特性。它具有正電容濕度系數。圖8.40

Ta2O5薄膜濕度傳感器的電容-濕度特性

3．多功能半導體陶瓷濕度傳感器

隨著微機的普及，產業(yè)和家庭電器方面的自動控制技術發(fā)展迅速，這就要求研究和生產更方便的各種傳感器，其中對能夠同時檢測濕度、溫度和氣體的多功能傳感器的呼聲尤其高，比如，冷暖空調機的溫度和濕度的控制，干燥機的溫度控制和水分的檢測，電子灶的溫度、濕度和各種氣體的檢測方面越來越多地要求使用這種多功能傳感器。

目前，多功能傳感器大部分是應用多個單一功能敏感器件的組合來檢測所要求的每個物理量的。為了取代這種復雜的機構，目前正積極進行一個器件具有多功能的敏感器件的研究，其中之一就是同時能夠檢測濕度和氣體的MgCr2O4-TiO2系多功能敏感器件和同時檢測溫度和濕度的BaTiO3-SrTiO3系多功能敏感器件。

MgCr2O4-TiO2系陶瓷傳感器，如前所述，當工作溫度低于150℃時，具有良好的感濕特性，隨著溫度的增加，電阻值顯著地下降，但在此溫度之下，不易吸附各種有機氣體，即對氣體不敏感。當溫度比較高(處于300～550℃的高溫)時，傳感器喪失了對水蒸氣的敏感特性，但在陶瓷晶粒

表面對某些氧化還原氣體產生化學吸附，改變了半導體陶瓷的表面態(tài)，從而引起陶瓷表面電導能力的改變。利用MgCr2O4-TiO2半導體陶瓷的這種性質研制成功了能夠同時檢測濕度和某些還原性氣體的多功能濕度-氣體半導體敏感器件。

MgCr2O4-TiO2系多功能半導體陶瓷材料的導電性一般是空穴導電，在300℃～550℃溫度范圍內對各種氣體都較敏感。比如，在以氧氣為首的氧化性氣氛中這種陶瓷材料的電阻減少，而隨著硫化氫、酒精、氫等還原性氣體濃度的增加其電阻率增加。MgCr2O4-TiO2系陶瓷高溫氣敏特性如圖

8.41所示。圖8.41

MgCr2O4-TiO2系陶瓷高溫氣敏特性金屬氧化物半導體陶瓷材料BaTiO3-SrTiO3的介電常數與溫度的依賴性是極其明顯的，因此也就成為熱敏器件的理想材料，通過摻入少量的MgCr2O4以及利用陶瓷體本身所具有的多孔結構，就可制得多功能的濕度-溫度傳感器。這就是巧妙利用了半導體陶瓷材料的體單晶性質和表面性質而做的復合功能傳感器。其等效電路如圖8.42所示。圖8.42濕度-溫度傳感器的等效電路

4．MOSFET濕敏器件

用半導體工藝制成的MOS型場效應管濕敏器件，由于是全固態(tài)濕敏傳感器，有利于傳感器的集成化和微型化，因此是一種很有前途和價值的濕度傳感器。

圖8.43表示MOS型場效應管濕敏器件的典型結構。圖8.43

MOSFET濕敏器件結構

5．結型濕敏器件

利用肖特基結或PN結二極管的反向電流或者反向擊穿電壓隨環(huán)境相對濕度的變化，可以制成一種結型濕度敏感器件。在結型濕度敏感器件中，二氧化錫濕敏二極管是比較有代表性的。

這種二極管是采用電阻率為5Ω·cm的N型硅單晶材料制作的。制作過程為：將硅片置于通氧和水汽的、溫度達520℃左右的石英管道爐中，使其生成一層SiO2，再在SiO2上淀積一層透明而又導電的SnO2薄膜，最后在硅片的背面和SnO2層上用真空鍍膜方法制作金屬Al電極。電極膜的厚度不宜太厚，以便SnO2表面和空氣中的水蒸氣相接觸，理想的厚度為100左右。SnO2具有很好的導電性，因而這種結構的二極管可看做是一個肖特基結或異質結，具有整流特性。上述二極管的結區(qū)直接暴露于環(huán)境氣氛之中，結果發(fā)現，在二極管處于反向偏壓狀態(tài)時，在雪崩擊穿區(qū)附近，其反向電流直接與環(huán)境的相對濕度有關，或者說，其反向擊穿電壓隨環(huán)境相對濕度而改變，即使二極管具有了感濕特性。圖8.44表示二氧化錫濕敏二極管的結構。圖8.45為SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對濕度的關系。從圖中看出，隨著相對濕度增加，反向電流減少。這是由于當二極管置于待測濕度的環(huán)境中時，二極管的勢壘部分處就會有水分吸附，耗盡層即向硅襯底擴展，從而提高了二極管的雪崩擊穿電壓。如果保持反向擊穿電壓不變，那么當環(huán)境相對濕度增加時，雪崩電流就減小，利用這種特性可測出相對濕度。圖8.44

SnO2濕敏二極管的結構圖8.45

SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對濕度關系8.2.4半導體陶瓷濕度傳感器的檢測精度

大部分半導體陶瓷濕度傳感器是利用電阻值變化檢測濕度的。這樣在實際應用時可在很大程度上簡化檢測電路，在空調機、加濕器、除濕器等民用家電產品中應用陶瓷濕度傳感器時，應當考慮其成本。因此，在研究傳感器特性時，應當考慮檢測電路的結構和精度，圖8.46表示陶瓷濕度傳感器在廣泛濕度范圍檢測濕度時使用的電路。圖8.46放大電路 8.3半導體氣體傳感器

所謂半導體氣體傳感器，是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，借此來檢測特定氣體的成分和濃度的傳感器。它是19世紀60年代才開始迅速發(fā)展起來的新型功能器件。

目前已有幾種半導體氣敏器件得到應用，但氣敏器件在重復性、選擇性、穩(wěn)定性及互換性等方面還存在不少急待解決的問題。

表8.2給出了半導體氣敏器件的分類。從表中看出，目前研究和使用的半導體氣敏器件大體上可分為電阻式和非電阻式兩大類。電阻式又可分成表面電阻控制型和體電阻控制型。非電阻式又可分為利用表面電位的、二極管整流特性的和晶體管特性的三種。表8.2半導體氣敏器件的分類8.3.1半導體電阻型氣敏器件

1．表面電阻控制型氣敏器件

它是利用半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電阻值變化特性制成的一類傳感器。多數是以可燃性氣體為檢測對象，但如果吸附能力很強，即使是非可燃性氣體也能作為檢測對象。這種類型的傳感器，具有氣體檢測靈敏度高、響應速度比一般傳感器快、實用價值大等優(yōu)點。

表面電阻控制型半導體氣敏器件的工作原理，主要是靠表面電導率變化的信息來檢驗被接觸氣體分子。因此，要求做這種器件的半導體材料的體內電導率一定要小，這樣才能提高氣敏器件的靈敏度?；谶@個原因，一般用禁帶寬度比較大的半導體材料來制備氣敏器件。由于金屬和氧分子之間的電負性相差很大，所以一般金屬氧化物半導體材料的禁帶寬度較大(如SnO2、N型3.5eV；ZnO、N型3.2eV)，因此它們的本征載流子濃度很小。

從目前制造的表面電阻控制型氣敏器件的結構來看，大體有燒結型、薄膜型(包括多層薄膜型)和利用燒結體材料做出的厚膜型(包括混合厚膜型)結構。由于薄膜型氣敏器件的表面積很大，表面電導率的變化對整個器件電導率的變化貢獻很大，所以它的靈敏度較高。薄膜型氣敏元件還具有一致性好、穩(wěn)定性高、壽命長等優(yōu)點，適于批量生產，且成本低，是一種很有發(fā)展前景的氣敏元件。對于燒結型氣敏器件來說，常常是多孔質的結構，因此，不僅表面部分吸附氣體分子，多孔質內部也吸附氣體分子，所以響應速度比較慢。燒結型氣敏器件因組分和燒結條件不同，傳感器性能也各異。一般說來，空隙率越大的敏感器件，其響應速度越快。薄膜型氣敏元件的制作通常是以石英或陶瓷為絕緣基片，在基片的一面印上加熱元件，如RuO2厚膜。在基片的另一面鍍上測量電極及氧化物半導體薄膜。在絕緣基片上制作薄膜的方法很多，包括真空濺射、先蒸鍍后氧化、化學氣相沉積、噴霧熱解等。

燒結型氣敏元件的制作是以多孔質SnO2、ZnO等氧化物為基體材料，添加不同物質，采用傳統(tǒng)制陶方法進行燒結，形成晶粒集合體。根據加熱元件位置可分為直熱式和旁熱式兩種，直熱式傳感器是將加熱元件與測量電極一同燒結在氧化物材料及催化添加劑的混合體內，加熱元件直接對氧化物敏感元件加熱。旁熱式傳感器是采用陶瓷管作為基底，將加熱元件裝入陶瓷管內，而測量電極、氧化物材料及催化添加劑則燒結在陶瓷管的外壁。加熱元件經陶瓷管壁均勻地對氧化物敏感元件加熱。厚膜型氣敏元件是將SnO2、ZnO等氧化物材料與3%～15%(重量)的硅凝膠混合，并加入適量的催化劑制成糊狀物,然后將該糊狀混合物印刷到事先安裝有鉑電極和加熱元件的Al2O3基片上，待自然干燥后置于400℃～800℃中燒結制成。其不僅機械強度高，各傳感器間的重復性好，適合于大批量生產，而且生產工藝簡單，成本低。

以上三類氣敏器件都附有加熱器。它能使附著在探測部分的油污、塵埃等燒掉，同時加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應速度。一般加熱到200℃～400℃，具體溫度視所摻雜質不同而異。用金屬氧化物半導體SnO2、ZnO等材料制作的氣敏器件對H2、碳氫化合物等氣體很靈敏。為了提高識別不同氣體分子的能力，摻入適當的物質作為催化劑來制備不同用途的氣敏器件。例如，在SnO2系中添加ThO2，在ZnO中摻入Pd時，這些氣敏器件對CO、H2的靈敏度很高，但對碳氫化合物的靈敏度很低。如果在ZnO中摻入Pt，則只能對碳氫化合物具有很高的靈敏度。這是由于在不摻催化劑時，吸附的氧與被檢測氣體直接進行反應，而摻入催化劑時，由于催化作用而促進表面反應，因此，適當的催化劑在表面和晶粒結合部分的存在對燒結型氣敏器件是非常重要的。用金屬氧化物半導體SnO2、ZnO等材料制作的表面電阻控制型氣體傳感器，為了加快氣體分子在表面上的吸附作用，將器件加熱到150℃以上的溫度下工作。

圖8.47給出了幾種表面電阻控制型氣體傳感器的結構,圖8.48給出了氧化錫氣敏傳感器阻值與被測氣體濃度的關系。

氣敏器件的阻值R與空氣中被測氣體的濃度C成對數關系變化：

lgR=mlgC+n(8.27)圖8.47表面電阻控制型氣體傳感器的結構(a)燒結型；(b)薄膜型；(c)厚膜型；(d)多層結構型圖8.48氧化錫氣敏傳感器阻值與被測氣體濃度的關系

2．體電阻控制型氣敏器件

除了表面電阻控制型半導體氣敏器件之外，目前還有體電阻控制型半導體氣敏器件。

體電阻控制型半導體氣敏器件與被檢測氣體接觸時，引起器件體電阻改變的原因比較多。對熱敏型氣敏器件而言，在600℃～900℃下，在半導體表面吸附可燃性氣體時，由于這類器件的工作溫度比較高，被吸附氣體燃燒使器件的溫度進一步升高，因此，半導體的體電阻發(fā)生變化。

還有一種原因是，由于添加物和吸附氣體分子在半導體能帶中形成新能級的同時，母體中生成晶格缺陷，結果引起半導體的體電阻發(fā)生變化。另外，很多氧化物半導體，由于化學計量比的偏離，尤其是化學反應強而且容易還原的氧化物，在比較低的溫度下與氣體接觸時晶體中的結構缺陷就發(fā)生變化，繼之體電阻發(fā)生變化，因此，可以檢測各種氣體。比如，目前常使用的γ-Fe2O3

氣敏器件，其結構如圖8.49所示。它是將研磨好的Fe3O4粉末壓制成圓柱形管芯，直徑和長度均為2mm，在700℃～800℃燒結成燒結體，內部裝有測定電阻用的金或鉑制作的電極，外圍設有螺旋狀加熱器，再在350℃～400℃下氧化成γ-Fe2O3，并焊接在基座上，經初測后，封裝上不銹鋼防暴罩即成。當它與氣體接觸時，隨著氣體濃度增加形成Fe+2離子，而變成為Fe3O4，使器件的體電阻下降。也就是說，由γ-Fe2O3被還原成Fe3O4時形成Fe+2離子。它們之間的還原-氧化反應為：圖8.49

γ-Fe2O3氣敏器件結構

γ-Fe2O3和Fe3O4都屬于尖晶石結構的晶體，進行這種轉變時，晶體結構并不發(fā)生變化。這種轉變又是可逆的。當被測氣體脫離后又氧化而恢復原狀態(tài)。這就是γ-Fe2O3氣敏器件的工作原理。

當溫度過高(400℃～420℃)時，γ-Fe2O3向α-Fe2O3(剛玉)轉化失去敏感性，這是γ-Fe2O3氣體傳感器的失效機理。把α-Fe2O3的晶粒微細化(粒度為0.1μm，比表面面積為130m2/g)和提高空隙率，可提高這種傳感器的氣體檢測靈敏度。(8.28)

γ-Fe2O3對丙烷等很靈敏，但對甲烷不靈敏，而α-Fe2O3對甲烷和異丁烷都非常靈敏，對水蒸氣及乙醇都不靈敏，因此做家庭用報警器特別合適。

Fe2O3類氣敏傳感器不用貴金屬催化劑，但也要用加熱措施，通常在元件外部由電熱絲烘烤。接觸還原性氣體后電阻值下降。典型三氧化二鐵氣敏特性如圖8.50所示。圖8.50

Fe2O3氣敏特性8.3.2非電阻控制型半導體氣敏器件

1.肖特基二極管氣敏器件

當金屬和半導體接觸形成肖特基勢壘時構成金屬半導體二極管。在這種金屬半導體二極管中附加正偏壓時，從半導體流向金屬的電子流將增加；如果附加負偏壓時，從金屬流向半導體的電子流幾乎沒有變化，這種現象稱為二極管的整流作用。

當在金屬和半導體界面處附近有氣體時，這些氣體對半導體的能帶或者金屬的功函數都將產生影響，其整流特性將發(fā)生變化。根據這個原理可以制作氣敏器件。在摻In的CdS片上蒸發(fā)一層Pd薄膜(厚為80nm)而做成Pd-CdS的二極管氣敏器件能檢測H2。后來陸續(xù)做出了Pd-TiO2、PdZnO、Pt-TiO2等二極管氣敏器件，用它們來檢測H2。圖8.51表示Pd-TiO2二極管氣敏器件的整流特性與H2濃度的關系。圖8.51

Pd-TiO2二極管的V-I特性(25℃)

2.MOS二極管氣敏器件

最近，正在研究用MOS二極管的電容-電壓關系(C-V特性)來檢測氣體的敏感器件。圖8.52表示這種氣敏器件的結構。柵電極用Pd或Pt薄膜(厚為30～200nm)形成，SiO2層厚度為50～100nm左右。圖8.53表示這種氣敏器件C-V特性的測試例子。在氫氣中的C-V特性比在空氣中的向左移動。這是因為無偏置的情況下，由于H2在Pd-SiO2界面的吸附，使Pd的功函數下降的緣故。由于H2濃度不同，C-V特性向左移動的程度不同，利用這種關系檢測氫的濃度。這種Pd-MOS二極管氣敏器件除了H2以外，還對CO及丁烷也具有靈敏性。圖8.52

Pd-MOS二極管圖8.53

Pd-MOS二極管的C-V特性

3.MOSFET氣敏器件原理

MOSFET金屬-氧化物-半導體場效應氣敏器件具有產品一致性好、體積小、重量輕、可靠性高、氣體識別能力強、便于大批量生產、與半導體集成電路有較好的工藝相容性等許多優(yōu)點，日益受到人們的重視。

MOSFET金屬-氧化物-半導體場效應氣敏器件是利用半導體表面效應制成的一種電壓控制型元件，可分為N溝道和P溝道兩種，N溝道MOSFET金屬-氧化物-半導體場效應氣敏器件的結構如圖8.54所示。圖8.54

Pd-MOSFET器件結構在MOSFET中漏電流Id由柵偏壓控制。柵電極與漏電極短路，并在源極和漏極之間加電壓U時，漏電流Id為

Id=β(U－UT)2

(8.29)

其中，β為常數，UT為閾值電壓(能產生Id電流的最小偏壓)。Pd-MOSFET氣敏器件中，UT隨著空氣中H2濃度的增加而下降，利用這種關系可檢測H2濃度。UT的下降原因認為是在Pd上H2解離產生的氫原子通過Pd金屬到達Pd和SiO2界面處,并在這里極化而降低Pd的功函數。Pd-MOSFET氣敏器件不僅用于H2，也可用于NH3等容易分解H2的氣體檢測方面。為了加快響應速度，器件的工作溫度為120～150℃左右。對于利用硅材料的MOSFET來說，這個溫度對它的長期穩(wěn)定性和壽命有影響。這是一個值得研究解決的問題。8.3.3半導體氣敏傳感器的氣敏選擇性

選擇性是檢驗化學傳感器是否具有實用價值的重要尺度。欲從復雜的氣體混合物中識別出某種氣體，就要求該傳感器具有很好的選擇性。由前述可知，氧化物半導體氣敏傳感器的敏感對象主要是還原性氣體，如CO、H2、甲烷、甲醇、乙醇等。為了能有效地將這些性質相似的還原性氣體彼此區(qū)分開，達到有選擇地檢測其中某單一氣體的目的，必須通過改變傳感器的外在使用條件和材料的物理及化學性質來實現。

由于各種還原性氣體的最佳氧化溫度不同，因此首先可以通過改變氧化物傳感器的工作溫度來提高其對某種氣體的選擇性。上述SnO2傳感器在低溫條件下不但對乙醇很敏感，對CO和H2也很敏感，因此，僅通過改變傳感器工作溫度所能達到的氣敏選擇性是有限的。必須消除混合氣體中欲單獨檢測氣體以外氣體的干擾。其中一個很有效的措施是通過使用某種物理的或化學的過濾膜，使單一氣體能通過該膜到達氧化物半導體表面，而拒絕其它氣體通過，從而達到選擇性檢測氣體的目的。如石墨過濾膜，涂在厚膜氧化物傳感器表面可以消除氧化性氣體(如NOx)對傳感器信號的影響。

提高傳感器氣敏選擇性的最有效、最常用的手段是利用某些催化劑能有選擇性地對被測氣體進行催化氧化的原理來實現。通過選擇合適的催化添加劑，可使由同一種基本氧化物材料制成的氣敏傳感器具有檢測多種不同氣體的能力。在MOS元件的金屬柵表面添加某種氣敏膜，也可以提高MOSFET傳感器對特定氣體的靈敏度。

8.3.4納米技術在半導體陶瓷氣體傳感器中的應用

納米技術是一門在納米空間(0.1～100nm)內研究電子、原子和分子運動規(guī)律及特性，通過操作單原子、分子和原子團、分子團，以制造具有特定功能的材料或器件為最終目的的一門技術。半導體陶瓷氣體傳感器具有靈敏度高、結構簡單、價格便宜等優(yōu)點，得到了迅速發(fā)展，有相當數量的產品，至今已成為一大體系。但這類傳感器存在著選擇性差、精度低和穩(wěn)定性不高等問題，妨礙了它的應用。過去通過摻雜催化劑、控制工作溫度、利用過濾分子篩等手段，取得了相當大的成功，但終究沒有徹底解決這些問題。納米技術在半導體陶瓷氣體傳感器中的應用，給這類傳感器帶來了希望，并取得了極大的進步。納米材料有兩大效應，一是粒子尺寸降到小于電子平均自由程時，能級分裂顯著，這就是量子尺寸效應。另一個顯著效應是表面效應，顆粒細化到一定的程度(100nm以內)

后，粒子表面上的原子所占的比例急劇增大，也即表面體積比增大，當這些表面原子數量增加到一定程度，材料的性能更多地由表面原子，而不是由材料內部晶格中的原子決定，使之氧化還原能力增強，自身的催化活性更加活潑。大量存在晶粒界面缺陷，對材料性質有決定性作用。而且，粒子進一步細化，而使粒子內部發(fā)生位錯和滑移，所以納米材料的性能多由晶粒界面和位錯等表面缺陷所控制，從而產生材料表面異?；钚?。前述表面電阻控制型氣敏器件它的機理是器件中的敏感體表面在正常大氣環(huán)境中，吸附大氣中的活性氣體氧氣(O2),以O－2、O2－2等吸附氧形式塞積在晶粒間的晶界處，造成高勢壘狀態(tài)，阻擋載流子運動，使半導體器件處于高電阻狀態(tài)。當遇到還原性氣體如H2、CO、烷類可燃性氣體時，與吸附氧發(fā)生微氧化－還原反應，降低了吸附氧的體積分數，降低了勢壘高度，從而推動載流子運動，使半導體器件的電阻減少，達到檢測氣體的目的。器件的表面活性越高，這種微反應也就越激烈，器件的靈敏度、選擇性也越好，這與納米技術具有高活性的表面效應是相對應的。體電阻控制型氣敏器件的機理為材料的內部原子也參與被檢測氣體的電子交換反應，而使之價態(tài)發(fā)生可逆的變化，所以粒子的尺寸越小，參參與這種反應的數量和能量也越大，產生的氣敏特性也就越顯著，這種機理與納米技術具有量子尺寸效應也是相適應的。

納米粉體可采用先進的固相法、液相法、氣相法以及涉及三種方法的復合相制法，制備出10～100nm的納米氣敏材料。器件的制作工藝過程中，必須嚴格控制工藝條件和工藝方法，才能保證材料一直處于納米量級，納米材料的優(yōu)異特性才能在器件中發(fā)揮出來，特別是成型和燒結等關鍵工藝。如在粉體成型中，用于造粒和調制成糊的粘合劑決不能使用SiO2、Al2O3等無機粘合劑，避免非納米顆粒及雜質的引入,影響純度，最好采用松油醇、聚乙烯醇等有機粘和劑，不僅粘度大，固液混合均勻，保證器件的一致性，而且，在燒結中易揮發(fā)，不參與器件組成，避免了雜質的引入。8.3.5半導體氣體傳感器的應用

半導體氣敏器件由于靈敏度高、響應時間和恢復時間短、使用壽命長、成本低，而得到了廣泛的應用。目前，應用最廣的是燒結型氣敏器件，主要是SnO2、ZnO、ν-Fe2O3等半導體氣敏器件。近年來薄膜型和厚膜型氣敏器件也逐漸開始實用化。上述氣敏器件主要用于檢測可燃性氣體、易燃或可燃性液體蒸汽。金屬-氧化物-半導體場效應晶體管型氣敏器件在選擇性檢測氣體方面也得到了應用，如鈀柵MOSFET管作為檢測氫氣氣敏器件也逐漸走向實用化。一些特殊的氣敏器件，比如ZrO2系半導體氣敏器件作為氧敏器件廣泛應用于汽發(fā)動機排氣中氧含量的檢測方面及煉鋼爐鐵水中氧含量的檢測方面。

1．廉價家用氣體報警器

燒結型SnO2氣敏器件基本測試電路如圖8.55所示。圖8.55氣敏器件測試電路