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气敏传感器
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气敏元件传感器
本实验所采用的SnO2（氧化锡）半导体气敏传感器属电阻型气敏元件；它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：若气浓度发生变化，其阻值又将变化，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·
气敏元件传感器原理
教材仅要求简单的热敏电阻和光敏电阻特性实验。由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。
利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；下面重点介绍气敏传感器及其气敏元件。
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。像SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；旁热式气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。
气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.5～5.5V、测量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。下图为气敏元件的简单测试电路（组成传感器），电压表指针变化越大，灵敏度越高；只要加一简单电路可实现报警。常见的气敏元件还有MQ-31（专用于检测CO），QM-J1酒敏元件等。
煤气传感器
测量原理: SX- 213 是基于4-20 mA变送器的锡氧化半导体，它可测量周围一氧化碳浓度，周期间隔为1秒。气体横向灵敏度干扰相对比较低。
SX-213 用于新一代锡氧化半导体一氧化碳传感器组件，它是 Sensorex多年经验积累研发的。
SX-213 传感器适用于工业上一氧化碳浓度的控制。
气敏元件传感器技术数据
操作电压15-28VDC or 18-24VAC 功率消耗约 0,5W 最大10W 输出4-20mA 线/log. or 2-10V 标准测量范围0-200/400 ppm 操作温度-30...+55OC
操作湿度max. 98% RH (无冷凝)
反映时间&120sec. (90%满刻度)
摘自Sensorex 英文技术资料 煤气传感器:SX-213
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半导体传感器
半导体传感器 semiconductor transducer 利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和 Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半导体传感器种类繁多，它利用近百种和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。
半导体传感器概述
优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。半导体传感器按输入信息分为物理敏感、化学敏感和生物敏感
传感器三类
半导体传感器半导体
传感器三类。
半导体传感器分类
半导体传感器物理敏感类
将物理量转换成电信号的器件，按敏感对象分为光敏、热敏、力敏、磁敏等不同类型，具有类似于人的视觉、听觉和触觉的功能。这类器件主要基于电子作用过程，机理较为简单，应用比较普遍，半导体传感器的无触点开关应用尤广。它们与微处理机相配合，能构成遥控、光控、声控、工业机器人和全自动化装置。下表列出常用的。
半导体传感器化学敏感类
将化学量转换成电信号的器件，按敏感对象可分为对气体、湿度、离子等敏感的类型，具有类似于人的嗅觉和味觉的功能。这类器件主要基于离子作用过程，机理较为复杂，研制较难，但有广阔的应用前景。通常利用的化学效应有：、、、和（浓淡电池反应）等。
半导体传感器生物敏感类
将生物量转换成电信号的器件，往往利用膜的选择作用、酶的生化反应和免疫反应，通过测量反应生成物或消耗物的数量达到检测的目的。生物敏感传感器所用的敏感功能材料是蛋白质，而蛋白质分子只能同特定物质起化学反应。通常利用的生物学效应有抗原抗体反应、酶作用下的氧化反应、微生物活组织和细胞的呼吸功能等。
半导体传感器代表品种
半导体传感器
semiconductor sensor
利用半导体性质易受外界条件影响这一特性制成的传感器。
根据检出对象，半导体传感器可分为（检出对象为光、温度、磁、压力、湿度等）、（检出对象为气体分子、离子、等）、（检出对象为生物化学物质）。
光传感器 　根据光和半导体的相互作用原理制成的传感器。通过在半导体中掺进杂质可以在中造成新的，可以人为地将移至长波范围。
半导体光传感器种类很多，可以通过、、光电流等实现光的检出，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。改变结构，还可以制成具有新功能的光传感器，例如灵敏度高和响应速度快的近红外检出器件、仅在特定波长范围灵敏的器件、发光与受光器件处于同一衬底的器件、可进行光检出和电流放大的器件（图1）、光导膜与液晶元件相结合的器件、等。
半导体传感器温度传感器
一般随温度的上升，半导体中载流子浓度增加、电阻降低。利用这种效应可以制成。由于浓度与温度有关，还会产生显著的。当P 型半导体两端存在温度差墹T，热端的浓度大，因此空穴向冷端扩散，并在此端产生正的空间电荷场（图2）。这个电压（塞贝克电压uS）约为150μV/K。对N型半导体，图2 中载流子为电子，冷端连接点为负。因此，同时使用P型与N型半导体电偶的uS可达300μV/K，比金属的uS（40μV/K）大一个数量级。
半导体温度传感器分为两类：接触型和非接触型。接触型又分为热敏电阻与PN结型两种。
随着温度的变化，半导体感温器件电阻会发生较大的变化，这种器件称为。常用的热敏电阻为陶瓷热敏电阻，分为负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（PTC）热敏电阻和临界温度电阻（CTR）。热敏电阻一般指NTC热敏电阻。
PN结温度传感器是一种利用半导体二极管、三极管的特性与温度的依赖关系制成的温度传感器。非接触型温度传感器可检出被测物体发射电磁波的能量。传感器可以是将放射能直接转换为电能的半导体物质，也可以先将放射能转换为热能，使温度升高，然后将温度变化转换成电信号而检出。这可用来测量一点的温度，如测温度分布，则需进行扫描。
当对象温度低、只能发射红外线时，则须检出其红外线（见光电导探测器）。
磁传感器 　磁传感器主要基于和的原理。利用霍尔效应的器件称为。当施加磁通B 时，电阻增加率墹R/R 可用下式表示
墹R/R∝μ2B2
式中μ为。半导体的载流子迁移率（如InAs约为104厘米2/伏秒）比金属（如Cu约为34.8厘米2/伏秒）大得多，所以半导体的磁阻效应很大。
半导体磁传感器体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高、寿命长，在电子学领域得到应用。此外，还可利用制作长度与重量传感器、高分辨（0.01度）的倾斜传感器，以及测定液体流量等。
半导体传感器压力传感器
半导体在承受压力时禁带宽度发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化。这样引起的电阻变化比金属丝受压时截面积减小引起的电阻变化要大两个数量级。因此具有高灵敏度。将 P型半导体与 N型半导体组合使用还可制成灵敏度更高的压力传感器。扩散型半导体压力传感器采用集成电路工艺制成，可以提高性能，改进测量的精度。如加工硅单晶制成受压膜片，在其表面用平面工艺扩散再制成压力规，由于二者处在同一硅片上，可以减少滞后、提高精度。
使用半导体压力传感器测量生物体各部分的压力比使用古老的脉压、血压测量方法，具有精度高、体积小、可在生物体自然状态下测量和安全（微小电流）的优点。
半导体传感器湿度传感器
当半导体表面或界面吸附气体分子或水分子时，半导体表面或界面的能带发生变化。利用这种半导体电阻的变化可检测气体或湿度。半导体湿度传感器具有体积小、重量轻的特点，实用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷湿度传感器用于室内空调，可精密控制湿度，与微机自动去湿，节省电能。TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器耐热性好，可测量60℃以上的环境湿度，还可用于医药、合成纤维工厂中存在有机物蒸气时的湿度测量。
半导体传感器气体传感器
利用半导体与气体接触时电阻或功函数发生变化这一特性检测气体。气体传感器分为电阻式与非电阻式两种。
电阻式采用SnO2、ZnO等材料制备，有多孔烧结件、 厚膜、 薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物（WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等） 材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、、氢、一氧化碳等气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。
非电阻式气体传感器利用和反应时引起的功函数变化来检测气体。它可分为金属－半导体结二极管型传感器（利用金属与半导体界面上时，二极管整流特性的变化）、MOS二极管型传感器（采用MOS结构，通过C-V特性的漂移检测气体）和MOS FET型传感器（通过MOS FET的阈值电压变化检测气体）。
半导体气体传感器灵敏度高，可用于防爆报警器，CO、H2S等有毒气体的监测器。通过稳定性研究，一些传感器可用于的定量监测。半导体气体传感器在防灾、环境保护、节能、工程管理、自动控制等方面有广泛的应用。
半导体传感器离子传感器
半导体离子传感器体积很小，能直接插入生物体内进行连续测量，随时监视患者的病情。
半导体表面的电阻随垂直于表面的电场变化。利用这种场效应制成的绝缘栅场效应晶体管 (IGFET）可作为。而在测量离子时，即称为离子灵敏场效应晶体管（ISFET）。ISFET的栅绝缘层表面只对特定的离子产生响应并形成离子感应层。这种界面电位的变化通过FET的漏极电流变化检出。ISFET的小型化不存在离子选择电极电阻过大的问题，它的输出阻抗很小。由于界面双电层的稳定性，即使在浓度很低的情况下也能检出界面电位的变化，因此具有很高的灵敏度（见）。ISFET可用来测量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等阳离子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等阴离子，还可制成复合ISFET（即同一 ISFET可测几种不同的离子）和FET型的参考电极（REFFET）等。
半导体传感器生物传感器
改变 ISFET敏感膜或采用其他结构可以检出复杂的生物化学物质。这种传感器用于医疗、食品、医药、环境保护等方面。例如，在检查中，用固定酵素作电极的方法对血液中葡萄糖、、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸进行分析，迅速而又简便。生物传感器正向检测更复杂的生物关联物质、免疫物质、细胞和微生物的方向发展。
采用集成化技术，将半导体传感器与信息处理电路集成于同一芯片，可以增加传感器的功能。此外，还可以在同一衬底上制作能检出不同对象的具有复合功能的半导体传感器器件。已出现单片集成传感器和混合集成传感器，将传感器与微处理机相结合可以制成具有自动补偿功能和预知判断功能的智能化器件。
半导体传感器优点是灵敏度高、可靠性好、可实现多功能、 小型化、 智能化，缺点是多感性、选择性差、在极限状态下（例如高温）不能使用。针对结晶型半导体传感器的不足，人们正在研究无定形半导体传感器。
半导体传感器气敏传感器
半导体传感器用途
主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制, 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。
半导体传感器材料
气敏电阻的材料是金属氧化物半导体（分P型如氧化锡和N型如氧化钴），合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
半导体传感器工作原理
（1）敏感材料的功函数&吸附分子的电子亲和力→吸附分子从材料中夺取电子（负离子吸附、氧化型气体），敏感材料的载流子减少-R↑，如O2　、NO等。
（2）敏感材料的功函数&吸附分子的离解能→吸附分子向材料释放电子（正离子吸附、还原型气体），敏感材料的载流子增加-R↓，如H2、CO等。
（3）为提高气体灵敏度，一般需加热以加快氧化还原反应（到200～450℃）,同时加热还能使附着在测控部分上的油雾、尘埃烧掉。
半导体传感器类型及结构
（1）电阻型半导体气敏传感器
由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳烧结型、薄膜型、厚膜型
（2）非电阻型半导体传感器
MOS二极管气敏器件
MOS场效应晶体管气敏器件
半导体传感器湿敏传感器
半导体传感器湿度的分类
湿度的分类：绝对湿度和相对湿度
（1）绝对湿度：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g/m3，一般用符号AH表示。
（2）相对湿度：气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。
在实际使用中多使用相对湿度这个概念。
半导体传感器氯化锂湿敏电阻
（1）原理：材料吸湿潮解或干化（能互逆），使器件的电阻率发生变化。
（2）氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中, 若环境相对湿度高, 溶液将吸收水分， 使浓度降低, 因此, 其溶液电阻率增高。 反之, 环境相对湿度变低时, 则溶液浓度升高, 其电阻率下降.见图：
半导体传感器陶瓷湿敏电阻
（1）用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。
导电机理：类似气敏电阻
（2）一般有两种：
Ⅰ：负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而下降水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。对于P型半导体，将吸引更多的空穴到达其表面，使其表面层的电阻下降。
Ⅱ：正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而增大当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降。
半导体传感器色敏传感器
色敏传感器是光敏传感器的一种。光敏器件一般检测的都是在一定波长范围内光的强度，而半导体色敏传感器则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。
对于用半导体硅制造的光电二极管, 在受光照射时, 若入射光子的能量hυ大于硅的禁带宽度Eg, 则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。
光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果, 这种吸收光子的过程称为本征吸收。
不同材料对不同波长的光吸收程度不一样。对硅而言，波长短的光子衰减快, 穿透深度较浅, 而波长长的光子则能进入硅的较深区域。
浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度, 深的P-N结则有利于红外灵敏度的提高, 半导体色敏器件正是利用了这一特性。
半导体传感器工作原理
依据：半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。
在具体应用时, 应先对该色敏器件进行标定。
测定不同波长的光照射下, 该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1, （ISD1是浅结二极管的短路电流, 它在短波区较大， ISD2是深结二极管的短路电流, 它在长波区较大）。
确定二者的比值与入射单色光波长的关系。
根据标定的曲线, 实测出某一单色光时的短路电流比值, 即可确定该单色光的波长。 ?
半导体传感器基本特征
短路电流比－波长特性
半导体传感器应用
（1）气敏传感器
（2）色敏传感器
．百度．[引用日期]
陈杰．传感器与检测技术：高等教育出版社，2002.8：90
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　　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
　　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
　　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
　　厚膜型气敏器件
　　厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3％～15％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400～800℃高温下烧结1～2小时制成
　　优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产
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