Transcript 表面型电阻型
第12章 气敏、湿敏传感器 电子信息及电气工程系 12-1 半导体气敏传感器 一、概述 1、被测量：气体的类别、成分、浓度 气-电转换 2、分类： 体型、表面型 电阻型、 非电阻型 二、 SnO2的工 作原理 表面型/电阻型 SnO2的金红石结构 Rb RU Rb晶粒等效电阻 RS晶粒表面电阻 RU晶粒颈部电阻 材料特点：多孔材料在晶 体组织上使锡或氧偏离化 学计量，造成氧不足（产 生氧空位和锡原子间隙） RS ，在靠近禁带的地方形成 施主能级，其上的电子很 容易激发到导带。 RS 、 RU 对元件电阻起 支配作用，受表面状态与 晶粒大小的影响。 平时SnO2在空气中放置，氧吸附在其表面形成 吸附氧，从半导体表面获得电子，形成受主型表 面能级，呈负电荷吸附状态，形成电子势垒。 1 O2 ne n 2 吸附 气体 R增加 当接触还原性气体时，被测气体同吸附氧发 生反应，减少了吸附氧的密度，降低的电子势垒 ，使R减少。添加催化剂可促进上述反应。 二、 SnO2的结构及相关参数 1、SnO2半导体气敏效应受以下因素影响： 1）SnO2的结构组成（氧空位多气敏效应明 显）； 2）SnO2的添加物； 3）烧结温度和元件工作时的加热温度。 2、 烧结型SnO2半导体气敏元件 1）分类：SnO2气敏元件类型：烧结型、薄膜 型、厚膜型； 2）主要用途： 检测还原性气体、可燃性气体、液体蒸汽 ，工作时需加热到300度左右。 3）结构 直热式SnO2气敏元件 制作工艺简单、成本低、功耗小，可在高 回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄 漏报警器（国内的QN、MQ型）。 旁热式SnO2气敏元件： 加热丝与测量极分开，避免了回路间的相互 影响，增加了材料结构的稳定性、可靠性（型号 有QM-N5）。 3、烧结型SnO2的相关参数 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导 致敏感元件阻值发生变化而制成的。 吸附氧化性 气体时， 电阻 增大； 吸附还原性 气体时，电阻减 小。 1）灵敏度: K= RS /R0 洁净空气中的电阻——标准电阻 工作条件中的电阻——工作电阻 K= RS (C2) /R0 (C1) 2）响应时间: Tres 3）恢复时间: Trec 4、SnO2的相关测试电路 直流稳压 I0 QM-N5 0-10V RL 加热电源 直流稳压 工作电源 0-20V U RL 不同浓度中的电阻比 U0 RS RL U 0 RL I 0 RL RS RL 通过URL与气敏元件电阻RS 电阻的对应关系可测得被测气 体的状态。 五、应用 范围：检测易燃、易爆和有毒气体，环境气体（ 氧气、水蒸汽、大气污染），工业气体（CO1、 CO2燃烧控制，烟雾（火灾报警）、司机呼出酒精 检测等。检漏、报警、控制 12-2 半导体湿敏传感器 一、概述 1、几个概念： 湿度：指空气中所含有的水蒸汽量。 理想空气：氮78%，氧21%，其它成分1%（无水） 潮湿空气：理想空气与水蒸汽的混合体。 多尔顿定律：潮湿空气的全压应等于该混合物中 各种气体分压之和。 2、湿度的表示方法和单位 1）水蒸气分压：根据多尔顿定律，只要测出潮 湿空气中水蒸气的分压即可知道湿度。 但我们现在无法直接测出水蒸气的分压。 2）绝对湿度（AH）：单位体积内所含水蒸汽 的质量（g/m3）。 3）相对湿度（RH）：气体的水蒸气分压与同 温度下的饱和水蒸气压的比值； 另一种表示： 绝对湿度 RH： 100% 同温度时饱和状态的绝对湿度 4）露点：保持压力一定而降低待测气体温度 至某一数值时，待测气体中的水蒸汽达到饱 和状态开始或结霜，此时的温度称为这种气 体的露点或霜点。 二、湿度的测量方法与是湿敏元件 1、湿度的测量方法：绝对测湿法，干、湿球 温度计，毛发计等，需目测或换算。 2、湿敏元件： 水分子亲和力型： 电解质式 高分子材料式 金属氧化物膜式 金属氧化物陶瓷式 非水分子亲和力型： 热敏电阻式 红外吸收式 微波式 超声波式 三、烧结型半导体湿敏元件（水分子亲和力 型） 1、工作原理： 材料特点：多孔结构的多 晶体，半导化过程造成氧 元素过剩或不足，造成大 量的电子空穴对，使 RU 远 大于Rb，成为电阻的主要 Rb RS 部分。 水分子在其表面和晶 RU 粒界面的吸收引起RS 、RU Rb晶粒等效电阻 的变化，形成负的湿敏特 RS晶粒表面电阻 性。 RU晶粒颈部电阻 吸附过程： 第一层吸附：化学吸附 + O- H+ OH- H2O H2O 第二层吸附：物理吸附 - H+ OH- H3O+ H2O 第三层吸附：物理吸附 O + H3O+的浓度进一步增加 R↓负的湿敏特性 2、MgCr2O4-TiO2半导体湿度敏感元件 1）材料及特点：MgCr2O4为立方尖晶石型结构 ，P型半导体；TiO2为红石型结构， N型半导 体，二者的成分适当配比。使用范围宽，响 应快，受温度影响小，工作稳定。 2）元件的结构： 3）元件的性能 元件的感湿特性曲线： β为材料常数 松下Ⅱ型：R=R0exp（βRH） 4）元件的加热清洗：去表面杂质，恢复吸附 能力。 加热电压：9V 加热时间：10S 加热温度：400～5000C 恢复时间：240S 四、其它湿敏元件 1、氯化锂湿敏元件：其导电能力与溶液中离子 的浓度成正比。离子浓度又与空气湿度相关。 不同浓度的氯化锂湿敏元件可测不同的湿度范 围，精度5%。 五、应用 要求掌握基本的电路 除湿机