新型传感器第六章幻灯片.ppt

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1、新型传感器第六章第1页，共39页，编辑于2022年，星期六第一节第一节 离子敏传感器离子敏传感器1、场效应管的结构、场效应管的结构一、一、MOS场效应管场效应管n在在P型硅衬底上扩散两个型硅衬底上扩散两个n+区，将两个区，将两个n+区用电极引出，作为区用电极引出，作为源源极（极（S）和和漏极（漏极（D）。离子敏场效应管离子敏场效应管(ISFET)的结构和一般的场效应管基本相的结构和一般的场效应管基本相同，为了理解离子敏场效应管的原理，我们不妨先简单回顾同，为了理解离子敏场效应管的原理，我们不妨先简单回顾一下场效应管的工作原理。一下场效应管的工作原理。n源极和漏极之间生成源极和漏极之间生成 Si

2、O2 绝缘层，在绝缘层上蒸镀一层金属绝缘层，在绝缘层上蒸镀一层金属电极并引出，作为电极并引出，作为栅极（栅极（G）。第2页，共39页，编辑于2022年，星期六n若源极和漏极之间施加电压的话，带电粒子将沿着该沟道流通，若源极和漏极之间施加电压的话，带电粒子将沿着该沟道流通，形成漏源极之间的沟道电流，又称作形成漏源极之间的沟道电流，又称作漏电流（漏电流（ID）。2、场效应管工作原理、场效应管工作原理n在栅在栅-源极施加电压源极施加电压VGS，栅极下的，栅极下的P型衬底表面将大量积聚型衬底表面将大量积聚电子而形成电子而形成反型层反型层。n当当VGSVTH时，栅极下将形成时，栅极下将形成强反型层强反型

3、层，在源极，在源极-漏极之间漏极之间形成形成 n型沟道。型沟道。第3页，共39页，编辑于2022年，星期六离子敏场效应管正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度的测量的。离子敏场效应管正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度的测量的。3、漏电流的计算、漏电流的计算n当当VDS （VGS VT）时时（场效应管工作在非饱和区）：（场效应管工作在非饱和区）：当当VDS（VGS VT）时（在饱和区）：时（在饱和区）：式中：式中：是一个与场效应管结构有关的系数，并且：是一个与场效应管结构有关的系数，并且：其中，其中，W、L、n、Cox分别为沟道宽度、长度、沟道中电子的有效迁移率。分别为沟道宽度、长度

4、、沟道中电子的有效迁移率。n场效应管漏电流场效应管漏电流ID的大小与阈值电压的大小与阈值电压VT有关，特别是在有关，特别是在VDS、VGS恒定的情况恒定的情况下，下，阈值电压阈值电压VT的变化将引起漏电流的变化将引起漏电流ID的变化的变化。第4页，共39页，编辑于2022年，星期六1、离子敏场效应管的结构、离子敏场效应管的结构二、二、离子敏场效应管离子敏场效应管n离子敏感器件离子敏感器件由由离子选择膜（敏感膜）和转换器离子选择膜（敏感膜）和转换器两部分构成，两部分构成，敏敏感膜感膜用以识别离子的种类和浓度，用以识别离子的种类和浓度，转换器转换器则将敏感膜感知的信息则将敏感膜感知的信息转换为电信

5、号。转换为电信号。基本原理：离子在敏感膜与溶液交界处产生界面电位，基本原理：离子在敏感膜与溶液交界处产生界面电位，影响影响MOS管的阈值电压管的阈值电压。第5页，共39页，编辑于2022年，星期六n溶液与敏感膜和参比电极同时接触，充当了普通场效应管的栅金属溶液与敏感膜和参比电极同时接触，充当了普通场效应管的栅金属极，构成了完整的场效应管结构，其源极、漏极的用法与一般的场极，构成了完整的场效应管结构，其源极、漏极的用法与一般的场效应管没有任何的区别。效应管没有任何的区别。n离子敏场效应管的绝缘层（离子敏场效应管的绝缘层（Si3N4 或或 SiO2层）与栅极之间层）与栅极之间没没有金属栅极有金属栅

6、极，而是在绝缘栅上制作一层，而是在绝缘栅上制作一层敏感膜敏感膜。离子膜可以是离子膜可以是固态也可以是液态固态也可以是液态的。的。不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。n含有各种含有各种离子的溶液离子的溶液与与敏感膜敏感膜直接接触，直接接触，栅极用参考电极栅极用参考电极构成。构成。第6页，共39页，编辑于2022年，星期六2、离子的活度、离子的活度n在待测溶液和敏感膜的交界处将产生在待测溶液和敏感膜的交界处将产生界面电位界面电位i，根据能斯特方，根据能斯特方程，界面电位的大小和离子的活度有关：程，界面电位的大小和离子的活度

7、有关：u其中，其中，0为常数；为常数；T为器件的绝对温度；为器件的绝对温度；n为溶液中离子的为溶液中离子的价数；价数；i为溶液中离子的活度；为溶液中离子的活度；气体常数气体常数R=8.314Jk-1mol-1；法拉第常数法拉第常数F=9.694104Cmol-1。u对于对于阴离子阴离子，若还原态物质活度为，若还原态物质活度为 1：u对于对于阳离子阳离子，若氧化态物质活度为，若氧化态物质活度为 1：第7页，共39页，编辑于2022年，星期六式中，式中，Kij为离子敏场效应管的选择系数。为离子敏场效应管的选择系数。n活度活度i表征了溶液中参加化学反应的离子浓度表征了溶液中参加化学反应的离子浓度Ci

8、，其单位，其单位为为mol/L，并且：，并且：i=i Ci 其中，其中，i为离子的活度系数，与溶液中离子的浓度有关，离为离子的活度系数，与溶液中离子的浓度有关，离子浓度越大，子浓度越大，i越小；越小；相反，相反，i越大，当离子浓度越大，当离子浓度Ci=0时，时，i=1。n在待测溶液中，一般总是存在着许多种离子，其它离子对待测离在待测溶液中，一般总是存在着许多种离子，其它离子对待测离子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离子的作用，能斯特方程可子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离子的作用，能斯特方程可以表示为：以表示为：第8页，共39页，编辑于2022年，星期六nVGS =VGS i ref3、离子

9、的浓度的测量、离子的浓度的测量n采用采用共源电路共源电路连接。连接。n考虑到参比电极的考虑到参比电极的电位电位ref、界面电位界面电位i，实际施加于场，实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为：效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为：第9页，共39页，编辑于2022年，星期六n在外加电压在外加电压VGS 和和VDS恒定、保持参考电极的电位恒定、保持参考电极的电位ref不变条件下，不变条件下，ISFET的的漏电流漏电流IDS的大小将随溶液的离子活度的大小将随溶液的离子活度i的变化而变化。的变化而变化。式中，式中，QSS为场效应管等效表面态和氧化层电荷；为场效应管等效表面态和氧化层电荷；QB为场

10、效应管耗尽区单位面积为场效应管耗尽区单位面积电荷；电荷；Cox为场效应管单位面积的栅电容；为场效应管单位面积的栅电容；F为场效应管为场效应管P型衬底的体内费米型衬底的体内费米能级。能级。n对于对于 n 沟道增强型场效应管，如果沟道增强型场效应管，如果VGS大于场效应管阈值电压大于场效应管阈值电压VT，场效应管将由，场效应管将由于于VGS的作用而导通，其的作用而导通，其漏极电流漏极电流IDS为：为：u非饱和区：非饱和区：u饱和区：饱和区：u其中，等效阈值电压为：其中，等效阈值电压为：n通过对通过对ISFET的漏电流的漏电流IDS的大小的测量，就可以检测出溶液中离子的浓度。的大小的测量，就可以检测

11、出溶液中离子的浓度。第10页，共39页，编辑于2022年，星期六4）三、三、离子敏场效应管特性离子敏场效应管特性n选择系数选择系数：在相同的电气与外界环境条件下，引起相同界面电位的待测离：在相同的电气与外界环境条件下，引起相同界面电位的待测离子活度子活度i与干扰离子的活度与干扰离子的活度j之间的比值称作选择系数，用之间的比值称作选择系数，用Kij表示。表示。具有普通场效应管的优具有普通场效应管的优良特性，而作为离子敏良特性，而作为离子敏器件，它还应满足器件，它还应满足敏感敏感元件元件的一些基本特性的一些基本特性要求，要求，n线性度线性度：器件在特定的测量范围内的输出电流：器件在特定的测量范围内

12、的输出电流IDS随溶液中离子浓度的变随溶液中离子浓度的变化而变化的特性。化而变化的特性。n动态响应动态响应：溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变化时，离子敏场效应：溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变化时，离子敏场效应管栅源电压管栅源电压VGS、漏极电流、漏极电流IDS或输出电压或输出电压VOUT随时间而变化的情况。随时间而变化的情况。n迟滞迟滞：溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值向低值变化，离子敏：溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值向低值变化，离子敏场效应管的输出的重复程度。场效应管的输出的重复程度。第11页，共39页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 气敏传感器气敏传感器 常见的方

13、法：电化法、光学法、电气法。电气法主要有半常见的方法：电化法、光学法、电气法。电气法主要有半导体式和接触燃烧式两类，而半导体式更具优点（灵敏度高、导体式和接触燃烧式两类，而半导体式更具优点（灵敏度高、制作方法简单、价格便宜、响应速度快等）。制作方法简单、价格便宜、响应速度快等）。能够响应于气体中的一定的成分，伴随由此而引起的能够响应于气体中的一定的成分，伴随由此而引起的化学、物化学、物理效应理效应，有着相应变化的，有着相应变化的电信号输出电信号输出的器件即称为的器件即称为气体敏感气体敏感器件器件气体敏感器件气体敏感器件气敏传感器气敏传感器将气体敏感器件随气体种类及浓度相应变化的电信号送入记将气

14、体敏感器件随气体种类及浓度相应变化的电信号送入记录、监测、报警、控制等电路系统，就构成了录、监测、报警、控制等电路系统，就构成了气敏传感器气敏传感器第12页，共39页，编辑于2022年，星期六1、传感原理、传感原理一、电阻式气敏传感器一、电阻式气敏传感器nSnO2是由许多晶粒组成的是由许多晶粒组成的n型多晶体，其内部的型多晶体，其内部的电阻值电阻值可可以等效为三种电阻串联：以等效为三种电阻串联：u单个晶粒的体电阻单个晶粒的体电阻Rb（不受吸附气体的影响）（不受吸附气体的影响）气体给予或俘获电子，气体给予或俘获电子，改改变晶粒表面势垒，从而改变晶粒表面势垒，从而改变电子形成电流能力。变电子形成电

15、流能力。n半导体材料半导体材料SnO2表面吸附某些气体时，其表面吸附某些气体时，其电导率电导率将随气体浓度的将随气体浓度的不同而发生改变。不同而发生改变。u晶粒与晶粒之间的晶间电阻晶粒与晶粒之间的晶间电阻Rn（受吸附气体浓度的影响）（受吸附气体浓度的影响）u单个晶粒的表面电阻单个晶粒的表面电阻Rs（受吸附气体的浓度影响），且（受吸附气体的浓度影响），且Rs Rn第13页，共39页，编辑于2022年，星期六n当SnO2表面吸附氧化性气体（如O2）时，吸附态的气体从晶粒表面俘获电子，增大了材料表面的电子势垒，使导带电子数目减少，材料导电率降低，电阻增加。n晶粒与晶粒相互接触的表面(即晶界)存在着势

16、垒qVs。n当表面吸附还原性气体时，获取气体原子中的电子。电子在半导体内束缚空穴，降低空穴与电子的复合率，加强电子形成电流的能力，材料导电率提高，电阻减小。第14页，共39页，编辑于2022年，星期六n烧烧结结型型：气气敏敏电电阻阻悬悬挂挂于于中中央央，底底座座树树脂脂模模压压制制成成，六六根根引引线为贵重金属，外罩为线为贵重金属，外罩为100目不锈钢丝网。目不锈钢丝网。n电阻式气敏传感器有：电阻式气敏传感器有：烧结型、薄膜型和厚膜型烧结型、薄膜型和厚膜型三种，敏感三种，敏感元件多为元件多为SnO2。第15页，共39页，编辑于2022年，星期六2、电阻式气敏传感器特性、电阻式气敏传感器特性n温

17、度的影响温度的影响u结论结论：传感器通电初期，其电阻值的输出有一个过渡时间，无传感器通电初期，其电阻值的输出有一个过渡时间，无论是定量测量还是阈值报警，电路应注意气敏传感器通电初期论是定量测量还是阈值报警，电路应注意气敏传感器通电初期的过渡状态。的过渡状态。u现象现象：电阻随温度而变化，其灵敏度电阻随温度而变化，其灵敏度关系有一峰值，峰值所处的温度点为关系有一峰值，峰值所处的温度点为最佳工作温度最佳工作温度。因此，可以通过加。因此，可以通过加热的办法提高气敏传感器的灵敏热的办法提高气敏传感器的灵敏度及稳定性。度及稳定性。u原因原因：通电之前，材料吸附着大量水分子，通电后的一段时间内，：通电之前

18、，材料吸附着大量水分子，通电后的一段时间内，受加热而温度上升，电阻值增加；当温度上升到一定的值之后，传受加热而温度上升，电阻值增加；当温度上升到一定的值之后，传感器吸附的水被蒸发，电阻值由高变低。感器吸附的水被蒸发，电阻值由高变低。第16页，共39页，编辑于2022年，星期六n湿度的影响湿度的影响u在潮湿空气中，传感器的电导随温度的上升而增加。在潮湿空气中，传感器的电导随温度的上升而增加。u200之后之后，电导值随温度的上升而下降；，电导值随温度的上升而下降；600之后之后，干、湿，干、湿空气的电导值随温度的变化趋于一致。空气的电导值随温度的变化趋于一致。u因此，选择气敏传感器的工作温度时，应

19、尽可能选择因此，选择气敏传感器的工作温度时，应尽可能选择较高的工作较高的工作温度。温度。第17页，共39页，编辑于2022年，星期六u钯掺杂量多、活性高的气敏材料，电阻值随温度的变化也较快；钯钯掺杂量多、活性高的气敏材料，电阻值随温度的变化也较快；钯掺杂量少、活性低的气敏材料，电阻值随温度的变化较缓慢。掺杂量少、活性低的气敏材料，电阻值随温度的变化较缓慢。n催化剂和添加剂的作用催化剂和添加剂的作用 改进传感器选择性最有效的办法是加入催化剂或添加剂。改进传感器选择性最有效的办法是加入催化剂或添加剂。u不同的催化剂或添加剂不同的催化剂或添加剂能够提高传感器对不同的气体的灵敏度，从而能够提高传感器对

20、不同的气体的灵敏度，从而可以提高气敏传感器的选择性。加入可以提高气敏传感器的选择性。加入ThO2，对，对CO的灵敏，对的灵敏，对H2的灵敏。的灵敏。u催化剂的含量催化剂的含量同样能提高气敏传感器的选择性，不同含量的钯量作用效果不同样能提高气敏传感器的选择性，不同含量的钯量作用效果不同，这是由于同，这是由于SnO2 表面对氧吸附的激活能不同造成的。表面对氧吸附的激活能不同造成的。第18页，共39页，编辑于2022年，星期六二、二、MOSFET气敏传感器气敏传感器n可以检测氢气、含有氢原子、能与氢发生反应的气体，例如氨气可以检测氢气、含有氢原子、能与氢发生反应的气体，例如氨气(NH3)、硫化氢、硫

21、化氢(H2S)、氧气、氧气(O2)、一氧化碳、一氧化碳(CO)等。用的最多等。用的最多的是检测氢气。的是检测氢气。1、原理与结构、原理与结构基本原理基本原理：吸附于：吸附于Pd栅膜表面的氢分子分解为栅膜表面的氢分子分解为氢原子氢原子，并扩，并扩散至散至SiO2界面，界面，改变改变V VT T值值。n用能溶于氢气用能溶于氢气(H2)的金属的金属钯钯(Pd)或铂或铂(Pt)作为作为MOS管的管的金属栅金属栅，即得到即得到催化金属场效应气敏传感器催化金属场效应气敏传感器。第19页，共39页，编辑于2022年，星期六n当氢气吸附于当氢气吸附于Pd栅膜表面时，氢分子在栅膜表面迅速分解为氢原栅膜表面时，氢

22、分子在栅膜表面迅速分解为氢原子，氢原子迅速向栅膜内扩散，其中一部分氢原子被吸附于子，氢原子迅速向栅膜内扩散，其中一部分氢原子被吸附于Pd栅栅膜与氧化物膜与氧化物(SiO2)界面，并在此界面形成氢原子层。界面，并在此界面形成氢原子层。MOSFET的阈值电压的阈值电压VT因此而变化。因此而变化。n氢气敏氢气敏n沟沟MOS晶体管采用晶体管采用P型单晶硅，型单晶硅，S区、区、D区为重掺杂的区为重掺杂的n+型扩散区，氧化膜用氯化氢干氧氧化，膜厚为型扩散区，氧化膜用氯化氢干氧氧化，膜厚为100nm，金属，金属Pd栅的厚度为栅的厚度为100nm。第20页，共39页，编辑于2022年，星期六n阈阈电电压压变变

23、化化值值的的测测量量电电路路中中，R是是传传感感器器内内部部的的加加热热器器电电阻阻值值，Vs是是加加热热的的直直流流稳稳压压电电源源，将将栅栅极极与与漏漏极极短短接接，使使VG=VD，从从而而保保证证VD VG-VT，使使晶晶体体管管工工作作于于电电流流饱饱和和区区。外外加加恒恒流流Id。在在一一定定的的温温度度下下，置置于于氢氢气气中中的的晶晶体体管管阈阈电电压压随随氢氢气气的的浓浓度度变变化化而而发发生生变变化化，电电路路输输出出的的变变化化值值就就反反映映了了 VT。2、测量电路、测量电路第21页，共39页，编辑于2022年，星期六n灵灵敏敏度度：阈阈值值电电压压 VT与与气气体体浓度

24、的关系。浓度的关系。2、传感器的特性、传感器的特性u在在150工作温度下，空气中氢气分压工作温度下，空气中氢气分压与晶体管阈电压变化与晶体管阈电压变化 VT的关系曲线。的关系曲线。直线与垂直轴的交点直线与垂直轴的交点 VTmax 0.5V。u有氧气存在时，氢和氧分子在有氧气存在时，氢和氧分子在Pd表面发生反应生成水分子，表面发生反应生成水分子，由于水分子吸附在由于水分子吸附在 Pd表面，使氢的复盖系数减小。影响器件表面，使氢的复盖系数减小。影响器件的灵敏度。的灵敏度。第22页，共39页，编辑于2022年，星期六n温度特性温度特性：阈值电压随温度的变化关系：阈值电压随温度的变化关系uPd栅气敏栅

25、气敏FET的工作温度最好选的工作温度最好选择在择在150附近。附近。u传感器在室温和惰性气体中，有一定灵敏度，但响应时间传感器在室温和惰性气体中，有一定灵敏度，但响应时间或恢复时间太长。或恢复时间太长。u氢气敏传感器应工作在高温空气气氛中，氢气敏传感器应工作在高温空气气氛中，选择选择较高的温度较高的温度可以防止可以防止Pd表面对水分子表面对水分子的吸附，提高灵敏度。的吸附，提高灵敏度。u当温度低于当温度低于100时，灵敏度很低。当温度为时，灵敏度很低。当温度为100150时，随着时，随着温度的升高，温度的升高，Pd表面水分子的被蒸发，灵敏度迅速增加，当表面水分子的被蒸发，灵敏度迅速增加，当温度

26、超过温度超过150，灵敏度随温度上升而缓慢变化。，灵敏度随温度上升而缓慢变化。第23页，共39页，编辑于2022年，星期六n响应特性：器件对气体浓度的动态变化的响应能力。u当器件接触到氢气时，氢迅速地扩散至Pd-SiO2界面处，达到饱和浓度N0，随后遵循下列关系向SiO2中扩散：式中，Nx为SiO2中氢的浓度，x为距离Pd-SiO2界面的深度，为氢在SiO2中的扩散系数，t为响应时间。u显然，在栅氧化层厚度一定的前提下，扩散系数越大，响应时间越短。u氢扩散系数与温度有关，并随器件温度的增大而增大。一般，为了加快器件的响应速度，必须将器件的工作温度提高，例如工作在120150之间。u当气体浓度发

27、生变化（一般指阶跃变化）时，Pd栅气敏FET的阈值电压VT随时间而逐步变化，并逐步达到稳定值。u响应时间：从氢气阶跃变化开始起直至达到稳定值的95%所用的时间。u恢复时间：从氢气氛围突然置于空气，输出达到稳定值95%所用时间。u器件阈值电压VT的响应时间与Pd-SiO2界面处氢气的浓度达到稳定所需的时间有关，实际上最终取决于氢在Pd、SiO2和Si中的扩散速度。第24页，共39页，编辑于2022年，星期六u为了消除二氧化硅对氢的吸附，可以采用其它绝缘膜代替二氧化硅和金属接触。例如在SiO2绝缘层上沉积厚度约100的Al2O3层，使金属栅与Si半导体衬底之间构成Pd-Al2O3-SiO2-Si结

28、构。由于Al2O3层的阻挡作用，可以减少SiO2绝缘层的正离子迁移，从而改善阈值电压的慢漂移。使器件在氢气中有较好的稳定性，并且滞后现象不严重。u由于Pd-Al2O3-SiO2-Si结构在绝缘层上不存在氢的吸附点，提高了响应速度，在低温下对氢气也有较快的响应速度。不过，这种结构制备工艺复杂，器件的灵敏度也受到一定的影响。u图中，垂直线段表示在恒定氢气温度下，18小时周期内响应的最大值与最小值。器件漂移小于3mV/24小时。n稳定性：阈值电压VT随时间发生缓慢漂移的特性。u影响因素之一：Pd栅膜层的鼓包现象。Pd栅长期吸附氢会使金属的晶格膨胀，在金属和绝缘体界面产生应力，导致金属和绝缘体分开（即

29、产生鼓包），进而导致灵敏度下降。一般采用厚膜Pd栅(200nm)，或者采用Pd/Pt双层金属栅结构，使Pt层紧靠绝缘体。u影响因素之二：Pd-SiO2-Si结构在氢气中存在滞后或漂移。在紧靠金属-氧化物界面的二氧化硅上有氢的吸附。第25页，共39页，编辑于2022年，星期六第三节第三节 湿敏传感器湿敏传感器一、概述一、概述绝对湿度绝对湿度-表示气体的单位体积中所含的表示气体的单位体积中所含的 水蒸汽量水蒸汽量相对湿度相对湿度-表示气体的绝对湿度与在同一温度下表示气体的绝对湿度与在同一温度下 水蒸水蒸 汽汽 已已 达饱和的气体的绝对湿度之比达饱和的气体的绝对湿度之比二、应用二、应用军事、气象、农

30、业、工业建筑、家用电器军事、气象、农业、工业建筑、家用电器三、种类三、种类水分子亲和力型传感器水分子亲和力型传感器非水分子亲和力型传感器非水分子亲和力型传感器第26页，共39页，编辑于2022年，星期六四、水分子亲和力型四、水分子亲和力型1、敏感材料、敏感材料（1）氯化锂电解质）氯化锂电解质一定的氯化锂，水蒸气含量高，其离子导电状态好，电阻低一定的氯化锂，水蒸气含量高，其离子导电状态好，电阻低 水蒸气含量低，其离子导电状态差，电阻高水蒸气含量低，其离子导电状态差，电阻高（2）高分子材料）高分子材料1）高分子电容式湿度传感器）高分子电容式湿度传感器2）高分子电阻式湿度传感器）高分子电阻式湿度传感

31、器（3）金属氧化物）金属氧化物（4）金属氧化物陶瓷）金属氧化物陶瓷第27页，共39页，编辑于2022年，星期六1、MgCr2O4-TiO2系陶瓷系陶瓷（一）、水分子亲和力型湿敏传感器（一）、水分子亲和力型湿敏传感器n金属氧化物陶瓷掺加金属氧化物陶瓷掺加TiO2，经烧结可得到多孔构造的，经烧结可得到多孔构造的MgCr2O4-TiO2系陶瓷，气孔孔径平均在系陶瓷，气孔孔径平均在13m范围内。范围内。基本原理基本原理：水分子被陶瓷气孔吸附，离解后形成导电离子，改变陶：水分子被陶瓷气孔吸附，离解后形成导电离子，改变陶瓷的电阻。瓷的电阻。n在在0 RH100 RH范围内，可以通过范围内，可以通过控制和改

32、变材料控制和改变材料表面的微细构造面、控制与改变气孔率与气孔分布表面的微细构造面、控制与改变气孔率与气孔分布，材料的，材料的湿敏特性湿敏特性得到改善得到改善n晶粒间的开放气孔类似细管，利于水蒸气等的吸收、附着和晶粒间的开放气孔类似细管，利于水蒸气等的吸收、附着和凝凝 缩，从而使材料具有对湿度敏感特性。缩，从而使材料具有对湿度敏感特性。第28页，共39页，编辑于2022年，星期六u进一步：大量水蒸气的存在使传感器的电极间形成均匀的电解质层，进一步：大量水蒸气的存在使传感器的电极间形成均匀的电解质层，湿敏传感器的外在表现是电阻值更加降低。湿敏传感器的外在表现是电阻值更加降低。n多孔多孔MgCr2O

33、4-TiO2陶瓷材料表面吸收水分的情形，可以分为陶瓷材料表面吸收水分的情形，可以分为三个阶段加以分析。三个阶段加以分析。u刚接触水蒸气：少量水在晶界处刚接触水蒸气：少量水在晶界处化学吸附化学吸附形成胫基，离解后形成胫基，离解后产生质子，质子在晶格间滚动。产生质子，质子在晶格间滚动。u随后：水在胫基上随后：水在胫基上物理吸附物理吸附形成水的多分子层。湿度增大，并使形成水的多分子层。湿度增大，并使电离能降低而并进一步促进离解，形成极高的离子浓度。电离能降低而并进一步促进离解，形成极高的离子浓度。传感器的传感器的外在表现是湿度增加而电阻降低。外在表现是湿度增加而电阻降低。第29页，共39页，编辑于2

34、022年，星期六2、MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿敏传感器系陶瓷湿敏传感器n在在陶陶瓷瓷湿湿敏敏体体的的两两侧侧涂涂布布糊糊状状氧氧化化钌钌RuO2，干干燥燥后后在在800左左右右温温度度烧烧结结成成电电极极，便便构构成成敏敏感感部部件件，元元件件引引线线用用铂铂-铱铱合合金为宜；器件绕以加热丝。金为宜；器件绕以加热丝。n由于能加热去污，传感器由于能加热去污，传感器稳定性好稳定性好、耐高温高湿和耐恶劣环境。耐高温高湿和耐恶劣环境。n由于多孔质陶瓷湿敏材料表面积大，所以湿敏传感器可以做得很小而不影响由于多孔质陶瓷湿敏材料表面积大，所以湿敏传感器可以做得很小而不影响湿敏特性，湿敏特性，体积小体积

35、小使得测湿使得测湿响应速度较快响应速度较快。n测湿之前，加热元件表面达测湿之前，加热元件表面达450以以烧掉材料表面的油污、灰尘等污垢。烧掉材料表面的油污、灰尘等污垢。n为防止环境污秽在基板形成漏泄电阻，加置为防止环境污秽在基板形成漏泄电阻，加置保护环保护环并将其并将其接地接地。nRuO2与陶瓷的热胀系数及粘接性相当一致，而且易于水分的吸附与脱却，可生成许多与陶瓷的热胀系数及粘接性相当一致，而且易于水分的吸附与脱却，可生成许多气孔，因此，几乎不影响湿敏传感器对于水分的吸、脱时间。气孔，因此，几乎不影响湿敏传感器对于水分的吸、脱时间。第30页，共39页，编辑于2022年，星期六u能通过加热清除表

36、面污垢，提高使用寿命和保持特性的稳定。能通过加热清除表面污垢，提高使用寿命和保持特性的稳定。3、水分子亲和型湿敏传感器特性、水分子亲和型湿敏传感器特性n优点：优点：v通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善湿通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善湿 敏敏特性。特性。u感湿体是极其微细的金属氧化物颗粒的烧结体，其优点是：感湿体是极其微细的金属氧化物颗粒的烧结体，其优点是：v传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸着与脱却；传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸着与脱却；v耐高温，理、化性质稳定，可用加热去污以恢复材料的湿敏特耐高温，理、化性质稳定，可用加热

37、去污以恢复材料的湿敏特性；性；第31页，共39页，编辑于2022年，星期六3、水分子亲和型湿敏传感器特性、水分子亲和型湿敏传感器特性n该湿敏传感器的测湿响应从原理上就注定该湿敏传感器的测湿响应从原理上就注定不可能很迅速不可能很迅速。n缺点：缺点：u由于化学性吸附以及反复吸、脱湿，会使元件表面构造发生变由于化学性吸附以及反复吸、脱湿，会使元件表面构造发生变化，从而产生化，从而产生滞后误差滞后误差。n油垢、尘土和有害于元件的气体都会使其物理吸附和化油垢、尘土和有害于元件的气体都会使其物理吸附和化学吸附状态发生变化，因而，传感器特性变化在所难免。学吸附状态发生变化，因而，传感器特性变化在所难免。n附

38、着和浸入的水分、化学反应生成的氢氧化物会有一部分残附着和浸入的水分、化学反应生成的氢氧化物会有一部分残留其中而难以全部脱出，造成留其中而难以全部脱出，造成元件特性不稳定元件特性不稳定、时效变化大、时效变化大和较大的和较大的滞后误差滞后误差。n大气中的水蒸气量相当少，例如，大气中的水蒸气量相当少，例如，100RH、32的空气中所的空气中所含水蒸气容积仅为含水蒸气容积仅为4.5，所以，所以在极短的时间内在极短的时间内，元件表面吸湿，元件表面吸湿不可能达到与大气湿度相平衡，从而就不可能达到与大气湿度相平衡，从而就无法反映真实的湿度无法反映真实的湿度。第32页，共39页，编辑于2022年，星期六1、热

39、敏电阻式湿度传感器、热敏电阻式湿度传感器二、非水分子亲和力型湿敏传感器二、非水分子亲和力型湿敏传感器n电源电源E所供电流使所供电流使热敏电阻热敏电阻R1及及R2保持在保持在200左右的温度。左右的温度。基本原理基本原理：空气的换热能力与湿度有关空气的换热能力与湿度有关，从而改变热敏电阻的，从而改变热敏电阻的阻值阻值。n显然，热敏电阻式湿度传感器的特性受温度的影响比较大。显然，热敏电阻式湿度传感器的特性受温度的影响比较大。nR1置于干燥空气时，调节电桥平衡。当置于干燥空气时，调节电桥平衡。当R1处于待测湿空气时，因处于待测湿空气时，因含湿空气含湿空气与干燥空气换热系数的差异，与干燥空气换热系数的

40、差异，R1被冷却而电阻值增高，电桥平衡被破坏。被冷却而电阻值增高，电桥平衡被破坏。nR1置于开孔金属盒内，置于开孔金属盒内，R2置于密封金属盒内，两盒的外形及尺寸相同；置于密封金属盒内，两盒的外形及尺寸相同；R2所在所在盒内封装着干燥空气。两盒处于同一温度场。盒内封装着干燥空气。两盒处于同一温度场。第33页，共39页，编辑于2022年，星期六第34页，共39页，编辑于2022年，星期六n传感器不用湿敏功能材料，因而传感器不用湿敏功能材料，因而不存在滞后误差不存在滞后误差。2、热敏电阻式湿度传感器特性、热敏电阻式湿度传感器特性n热敏电阻式湿度传感器的输出电压与绝对湿度成比例，可测量大气绝热敏电阻

41、式湿度传感器的输出电压与绝对湿度成比例，可测量大气绝对湿度。对湿度。n利用空气的换热系数与温度有关的原理测量湿度，因而大气中混入其它特种气利用空气的换热系数与温度有关的原理测量湿度，因而大气中混入其它特种气体或气压变化都会给测湿结果造成程度不同的影响。体或气压变化都会给测湿结果造成程度不同的影响。特别是混入比空气换热系数高的某些气体（如特别是混入比空气换热系数高的某些气体（如CH4气体）时，热敏气体）时，热敏 电阻被冷却而阻值升高，输出产生正值误差；电阻被冷却而阻值升高，输出产生正值误差；反之（如反之（如CO2和和CCl2F2气体），使传感器输出产生负向误差。误差的大小，气体），使传感器输出产

42、生负向误差。误差的大小，随特种气体混入大气中的浓度而变化。随特种气体混入大气中的浓度而变化。n在较宽温度范围内调节电桥平衡相当麻烦，从而导致在较宽温度范围内调节电桥平衡相当麻烦，从而导致 热敏电阻式湿度传感器热敏电阻式湿度传感器成本较高成本较高。n理论上，传感器的测湿响应速度应该是极其迅速的，但金属盒及防护罩对含湿大气理论上，传感器的测湿响应速度应该是极其迅速的，但金属盒及防护罩对含湿大气进出的置换进出的置换需要一定的时间需要一定的时间，热敏电阻从接触到待测湿气直至电阻值达到稳，热敏电阻从接触到待测湿气直至电阻值达到稳定值的定值的90，大约需要十几秒左右。，大约需要十几秒左右。第35页，共39

43、页，编辑于2022年，星期六2、红外线吸收式湿度传感器、红外线吸收式湿度传感器n根根据据朗朗伯伯-贝贝尔尔法法则则，光光束束经经过过长长为为 l 的的湿湿空空气气后后，其其光光强强衰衰减减量量为：为：I=I0(1-e-lC)基本原理：水蒸气可以吸收某波长段的红外线。基本原理：水蒸气可以吸收某波长段的红外线。n红外光束的光强红外光束的光强I0，经吸收系数，经吸收系数、浓度、浓度C的潮湿空气后的潮湿空气后,光强衰减为光强衰减为I .第36页，共39页，编辑于2022年，星期六n原理：超声波在湿空气中的传播速度原理：超声波在湿空气中的传播速度ch与湿度的关系为：与湿度的关系为：ch=20.067T(

44、1+0.3192e/p)1/2(m/s)式中：式中：T 大气温度大气温度(C)；e 水蒸气分压水蒸气分压(mmHg)，p 大气静压大气静压(mmHg)。设含湿空气与干燥空气中超声波传播速度差设含湿空气与干燥空气中超声波传播速度差 c=ch-cd 20.067T1/2 0.1596e/p(m/s)e 6.2669 c/cd3、超声波式湿度传感器、超声波式湿度传感器基本原理：超声波的传播速度与湿度有关。基本原理：超声波的传播速度与湿度有关。n结构结构：两只超声波换能器对置，一只发送超声波，另一只接收超声波。两者之间加设一：两只超声波换能器对置，一只发送超声波，另一只接收超声波。两者之间加设一个测温

45、元件，用来测量大气温度。个测温元件，用来测量大气温度。n特点特点：不受辐射热影响，：不受辐射热影响，响应速度极快响应速度极快。可测量某一点。可测量某一点(极小范围极小范围)的绝对湿度，因此，的绝对湿度，因此，可以用于气球高空及温室环境测量。缺点是对电子电路要求较高。可以用于气球高空及温室环境测量。缺点是对电子电路要求较高。第37页，共39页，编辑于2022年，星期六 离子敏感膜离子敏感膜不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。第38页，共39页，编辑于2022年，星期六习题与思考习题与思考1、离子敏场效应管、离子敏场效应管(ISFET)、MOSFET气敏传感气敏传感器的结构和一般的场效应管有什么不同？器的结构和一般的场效应管有什么不同？2、离子敏感器件由哪两部分构成、离子敏感器件由哪两部分构成?3、电阻型气敏传感器的敏感元件是什么？如何、电阻型气敏传感器的敏感元件是什么？如何判断它所测得的气体种类？判断它所测得的气体种类？4、电阻型气敏传感器工作时为何要加热？电阻型气敏传感器工作时为何要加热？5、热敏电阻式湿度传感器的敏感元件是什么？、热敏电阻式湿度传感器的敏感元件是什么？6、简述红外线吸收式湿度传感器的工作原理。、简述红外线吸收式湿度传感器的工作原理。第39页，共39页，编辑于2022年，星期六